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KR20170064540A - Target sequence detection by nanopore sensing of synthetic probes - Google Patents

Target sequence detection by nanopore sensing of synthetic probes Download PDF

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KR20170064540A
KR20170064540A KR1020177011263A KR20177011263A KR20170064540A KR 20170064540 A KR20170064540 A KR 20170064540A KR 1020177011263 A KR1020177011263 A KR 1020177011263A KR 20177011263 A KR20177011263 A KR 20177011263A KR 20170064540 A KR20170064540 A KR 20170064540A
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KR
South Korea
Prior art keywords
probe
polynucleotide
nanopore
molecule
dna
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020177011263A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
트레보 제이. 모린
다니엘 에이. 헬러
Original Assignee
투 포어 가이즈, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 투 포어 가이즈, 인코포레이티드 filed Critical 투 포어 가이즈, 인코포레이티드
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Abstract

나노포어를 사용하여 용액에서 폴리뉴클레오티드의 하나 이상의 특이적 서열의 검출하기 위한 방법 및 조성물이 본원에서 개시된다. 일부 구체예에서, 샘플에서 폴리뉴클레오티드를 확인하거나 폴리뉴클레오티드의 표적 서열을 검출하기 위한 방법 및 조성물이 본원에서 개시된다.Methods and compositions are disclosed herein for detecting one or more specific sequences of a polynucleotide in solution using a nanopore. In some embodiments, methods and compositions for identifying polynucleotides in a sample or detecting a target sequence of a polynucleotide are disclosed herein.

Description

합성 프로브의 나노포어 감지에 의한 표적 서열 검출{TARGET SEQUENCE DETECTION BY NANOPORE SENSING OF SYNTHETIC PROBES}[0001] TARGET SEQUENCE DETECTION BY NANOPORE SENSING OF SYNTHETIC PROBES [0002]

관련 relation 출원에 대한 교차 참조Cross reference to application

본 출원은 2014년 9월 26일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/056,378호의 이익을 주장하며, 이 개시물은 본원에 참고로 포함된다. This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 056,378, filed September 26, 2014, the disclosure of which is incorporated herein by reference.

본 발명의 분야Field of the Invention

본 발명은 나노포어 디바이스를 사용하여 표적 서열을 검출하기 위한 방법 및 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a composition for detecting a target sequence using a nanopore device.

"표적 서열 검출"로도 불리는 핵산의 신장부 내 특이적 서열 영역의 검출, 위치 측정, 및 카피 수 결정은 의생명과학 및 기술, 의학, 농학 및 법의학, 뿐만 아니라 다른 분야에도 적용된다. 유전자 및 그것들의 변형, 서열, 위치, 또는 수의 검출은 의학에서 분자 진단의 발전에 중요하다. DNA 마이크로어레이, PCR, 서던 블롯, 및 FISH(형광 제자리 혼성화(Fluorescent in situ Hybridization))는 모두 표적 서열 검출을 수행하거나 이것을 돕는데 사용될 수 있는 방법이다. 이 방법들은 느리고 노동 집약적이며, 제한된 정확도 및 분해능을 가진다. 더 최근의 방법, 예컨대 실시간 PCR 및 차세대 시퀀싱(NGS) 기술은 처리량이 개선되었지만, 여전히 많은 적용을 위한 충분한 분해능을 갖고 있지는 않다.The detection, localization, and copy number determination of specific sequence regions within the stretch of nucleic acids, also referred to as "target sequence detection ", applies to the life science and technology, medical, agricultural and forensic fields as well as other fields. Detection of genes and their modifications, sequences, positions, or numbers is important in the development of molecular diagnostics in medicine. DNA microarrays, PCR, Southern blot, and FISH (Fluorescent in situ Hybridization) are all methods that can be used to perform or assist in target sequence detection. These methods are slow, labor intensive, and have limited accuracy and resolution. More recent methods, such as real-time PCR and next generation sequencing (NGS) techniques, have improved throughput, but still do not have sufficient resolution for many applications.

고체 상태 나노포어는 포어를 가로질러 전압을 인가하고, 분자가 나노포어를 통과할 때 교류 임피던스(current impedance)를 측정함으로써 분자를 검출하는 것으로 입증되었다. 임의의 주어진 나노포어 디바이스의 전체적인 효율은 정확하고 신뢰 가능하게 교류 임피던스를 측정하고 통과하는 다른 유형의 분자들 중에서 구별하는 능력에 의존적이다. 문헌에 제시된 실험들은 포어를 통과하는 DNA 및 RNA 가닥, 및 그것들에서 특이적 서열에 혼성화되는 합성 분자 둘 다의 검출을 입증하였다. 하지만, 특이적 DNA 또는 RNA 서열에서 프로브를 검출하기 위한 고처리량 및 신뢰 가능한 나노포어 디바이스를 생성하는데 이것들을 사용할 수 없었다. 지금까지 개발된 프로브는 신뢰 가능한 서열 검출에 불충분하였다. 그러므로, 나노포어에서 검출을 위해 서열-특이적으로 결합할 수 있는 프로브 및 프로브 복합체의 세트가 필요하다.Solid state nanopores have been shown to detect molecules by applying a voltage across the pores and measuring the current impedance as the molecules pass through the nanopore. The overall efficiency of any given nanopore device depends on its ability to accurately and reliably measure the AC impedance and distinguish it from other types of passing molecules. The experiments presented in the literature demonstrate the detection of both DNA and RNA strands passing through the pores, and synthetic molecules that hybridize to specific sequences in them. However, they could not be used to create high throughput and reliable nanopore devices for detecting probes in specific DNA or RNA sequences. Probes developed so far are insufficient for reliable sequence detection. Therefore, there is a need for a set of probe and probe complexes that are capable of sequence-specifically binding for detection in nanopores.

샘플에서 표적 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드를 검출하는 방법이 본원에서 제공되며, 상기 샘플을 상기 표적 서열에 대한 상기 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 샘플과 상기 표적 서열을 포함하는 상기 폴리뉴클레오티드에 특이적으로 결합하는 프로브를 상기 표적 서열에 대한 상기 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 접촉시켜서 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체를 형성하는 단계; 상기 샘플을 나노포어 디바이스의 제1 챔버에 로딩하는 단계로서, 상기 나노포어 디바이스는 적어도 하나의 나노포어 및 적어도 상기 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버는 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 전기적으로 및 유체적으로 교류하고, 상기 나노포어 디바이스는 상기 적어도 하나의 나노포어 각각을 가로질러 독립적으로 제어되는 전압 및 상기 적어도 하나의 나노포어 각각에 관련된 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 적어도 하나의 나노포어를 통해 통과하는 물체를 확인하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 나노포어를 통한 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 전위(translocation)는 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체와 관련된 검출 가능한 신호를 제공하는 단계; 및 상기 검출 가능한 신호를 관찰하여, 상기 표적 서열을 포함하는 상기 폴리뉴클레오티드를 검출함으로써 상기 샘플에서 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 존재 또는 부재를 결정하는 단계를 포함한다. 한 구체예에서, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 전압 전위를 발생시키는 단계를 더 포함하는데, 상기 전압 전위는 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체 상에 힘을 발생시켜서 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체를 끌어당기며, 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체가 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 전위되어 상기 검출 가능한 신호를 발생시키게 한다.There is provided herein a method of detecting a polynucleotide comprising a target sequence in a sample wherein said sample is specific for said polynucleotide comprising said target sequence and said sample under conditions that promote binding of said probe to said target sequence Contacting probe under conditions that promote binding of said probe to said target sequence to form a polynucleotide-probe complex; Loading the sample into a first chamber of a nanopore device, wherein the nanopore device includes at least one nanopore and at least the first chamber and the second chamber, Wherein the nanopore device further comprises a voltage associated with each of the at least one nanofourous and a voltage that is independently controlled across each of the at least one nanofoure, Wherein the sensor is configured to identify an object passing through at least one nanopore and wherein the translocation of the polynucleotide-probe complex through the at least one nanopore is detectable with respect to the polynucleotide-probe complex Providing a signal; And observing the detectable signal to determine the presence or absence of the polynucleotide-probe complex in the sample by detecting the polynucleotide comprising the target sequence. In one embodiment, the method further comprises generating a voltage potential through the at least one nanopore, wherein the voltage potential is generated by generating a force on the polynucleotide-probe complex to form the at least one nanopore Probe complex, wherein the polynucleotide-probe complex is displaced through the at least one nanopore to generate the detectable signal.

일부 구체예에서, 상기 폴리뉴클레오티드는 DNA 또는 RNA이다. 한 구체예에서, 상기 검출 가능한 신호는 전기 신호이다. 한 구체예에서, 상기 검출 가능한 신호는 광신호이다. 한 구체예에서, 상기 프로브는 단백질, 펩티드, 핵산, TALEN, CRISPR, 펩티드 핵산, 또는 화합물로 구성된 군으로부터 선택된 분자를 포함한다. 한 구체예에서, 상기 프로브는 데옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펩티드 핵산(PNA), DNA/RNA 하이브리드(hybrid), 폴리펩티드, 또는 임의의 화학적으로 유도된 폴리머로 구성된 군으로부터 선택된 분자를 포함한다.In some embodiments, the polynucleotide is DNA or RNA. In one embodiment, the detectable signal is an electrical signal. In one embodiment, the detectable signal is an optical signal. In one embodiment, the probe comprises a molecule selected from the group consisting of a protein, a peptide, a nucleic acid, TALEN, CRISPR, a peptide nucleic acid, or a compound. In one embodiment, the probe is selected from the group consisting of deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), peptide nucleic acid (PNA), DNA / RNA hybrid, polypeptide, or any chemically derivatized polymer Includes selected molecules.

한 구체예에서, 상기 프로브는 상기 적어도 하나의 나노포어를 통한 전위 중에 상기 폴리뉴클레오티드에 결합된 프로브의 검출을 용이하게 하도록 구성된 제2 분자에 결합된 PNA 분자를 포함한다. 추가의 구체예에서, 상기 제2 분자는 PEG이다. 추가의 구체예에서, 상기 PEG는 적어도 1 kDa, 2 kDa, 3 kDa, 4 kDa, 5 kDa, 6kDa, 7kDa, 8kDa, 9kDa, 또는 10kDa의 분자량을 가진다.In one embodiment, the probe comprises a PNA molecule bound to a second molecule configured to facilitate detection of a probe bound to the polynucleotide in a potential across the at least one nanopore. In a further embodiment, the second molecule is PEG. In a further embodiment, the PEG has a molecular weight of at least 1 kDa, 2 kDa, 3 kDa, 4 kDa, 5 kDa, 6 kDa, 7 kDa, 8 kDa, 9 kDa, or 10 kDa.

한 구체예에서, 샘플에서 표적 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드를 검출하는 상기 방법은 상기 샘플에 프로브와 표적 서열 간의 결합 상호작용을 변화시키는 것으로 의심되는 조건을 적용하는 단계를 더 포함한다. 추가의 구체예에서, 상기 조건은 샘플에서 프로브의 제거, 표적 서열에의 결합에 대하여 프로브와 경쟁하는 작용제의 첨가, 및 초기 pH, 염, 또는 온도 조건의 변화로 구성된 군으로부터 선택된다.In one embodiment, the method for detecting a polynucleotide comprising a target sequence in a sample further comprises applying to the sample a condition suspected of altering the binding interaction between the probe and the target sequence. In a further embodiment, the conditions are selected from the group consisting of removal of the probe in the sample, addition of an agent competing with the probe for binding to the target sequence, and a change in initial pH, salt, or temperature conditions.

한 구체예에서, 상기 폴리뉴클레오티드는 프로브에 대한 폴리뉴클레오티드의 결합을 변형시키도록 구성된 화학적 변형을 포함한다. 추가의 구체예에서, 상기 화학적 변형은 비오티닐화, 아세틸화, 메틸화, 서몰레이션(summolation), 글리코실화, 인산화 및 산화로 구성된 군으로부터 선택된다.In one embodiment, the polynucleotide comprises a chemical modification configured to modify the binding of the polynucleotide to the probe. In a further embodiment, the chemical modification is selected from the group consisting of biotinylation, acetylation, methylation, summation, glycosylation, phosphorylation and oxidation.

한 구체예에서, 상기 프로브는 절단 가능한 결합을 통해 프로브에 커플링된 화학적 변형을 포함한다. 한 구체예에서, 상기 프로브는 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 금속 결합, 반 데르 발스 힘(van der Waals force), 소수성 상호작용, 또는 평면 스태킹 상호작용(planar stacking interaction)을 통해 폴리뉴클레오티드의 표적 서열과 상호작용한다. 한 구체예에서, 샘플에서 표적 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드를 검출하는 상기 방법은 샘플을 프로브 또는 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체에 결합할 수 있는 하나 이상의 검출 가능한 라벨과 접촉시키는 단계를 더 포함한다. 한 구체예에서, 상기 폴리뉴클레오티드는 적어도 두 개의 표적 서열을 포함한다.In one embodiment, the probe comprises a chemical modification coupled to the probe via a cleavable bond. In one embodiment, the probe is a probe of a polynucleotide through covalent bonds, hydrogen bonds, ionic bonds, metal bonds, van der Waals forces, hydrophobic interactions, or planar stacking interactions. Interact with the target sequence. In one embodiment, the method for detecting a polynucleotide comprising a target sequence in a sample further comprises contacting the sample with at least one detectable label capable of binding to the probe or polynucleotide-probe complex. In one embodiment, the polynucleotide comprises at least two target sequences.

한 구체예에서, 상기 나노포어는 직경이 약 1 nm 내지 약 100 nm이고, 길이가 1 nm 내지 약 100 nm이며, 각각의 챔버는 전극을 포함한다. 한 구체예에서, 상기 나노포어 디바이스는 두 개의 나노포어에서 상기 폴리뉴클레오티드의 이동을 동시에 제어하도록 구성된 적어도 두 개의 나노포어를 포함한다. 한 구체예에서, 샘플에서 표적 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드를 검출하는 상기 방법은 프로브-결합부가 나노포어를 통해 통과한 후 나노포어를 통한 상기 폴리뉴클레오티드의 이동이 반전되도록, 상기 검출 가능한 신호에 의한 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 초기 검출 이후 상기 독립적으로 제어되는 전압을 반전시키며, 이로써 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 존재 또는 부재를 다시 확인하는 단계를 더 포함한다.In one embodiment, the nanopore is about 1 nm to about 100 nm in diameter and 1 nm to about 100 nm in length, and each chamber includes an electrode. In one embodiment, the nanopore device comprises at least two nanopores configured to simultaneously control the movement of the polynucleotide in two nanopores. In one embodiment, the method for detecting a polynucleotide comprising a target sequence in a sample comprises detecting the presence of the polynucleotide in the sample by passing the probe-binding moiety through the nanopore and inverting the movement of the polynucleotide through the nanopore, Reversing the independently controlled voltage after the initial detection of the polynucleotide-probe complex, thereby again confirming the presence or absence of the polynucleotide-probe complex.

한 구체예에서, 상기 나노포어 디바이스는 두 개의 나노포어를 포함하고, 상기 폴리뉴클레오티드는 상기 두 개의 나노포어 둘 다에 동시에 위치한다. 추가의 구체예에서, 샘플에서 표적 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드를 검출하는 상기 방법은 나노포어를 통해 폴리뉴클레오티드의 전위의 속도를 제어하기 위해 나노포어에 의해 반대 힘이 발생되도록 상기 두 개의 나노포어 각각에서 전압의 크기 및/또는 방향을 조정하는 단계를 포함한다. In one embodiment, the nanopore device comprises two nanopores, the polynucleotides being simultaneously located in both of the two nanopores. In a further embodiment, the method for detecting a polynucleotide comprising a target sequence in a sample comprises the steps of: determining the concentration of the polynucleotide in the sample, And adjusting the magnitude and / or direction of the voltage.

또한, 샘플에서 폴리뉴클레오티드 또는 폴리뉴클레오티드 서열을 검출하는 방법이 본원에서 제공되며, 상기 샘플을 제1 프로브 및 제2 프로브와 접촉시키는 단계로서, 상기 제1 프로브는 상기 제1 표적 서열에 대한 상기 제1 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 폴리뉴클레오티드의 제1 표적 서열에 특이적으로 결합하고, 상기 제2 프로브는 상기 제2 표적 서열에 대한 상기 제2 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 폴리뉴클레오티드의 제2 표적 서열에 특이적으로 결합하는 단계; 상기 샘플을 상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브에 대한 상기 제3 분자의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 제1 및 제2 프로브가 서로 충분히 근접해있을 때 상기 제1 및 제2 프로브에 동시에 결합하도록 구성되는 제3 분자와 접촉시키며, 이로써 상기 폴리뉴클레오티드, 상기 제1 프로브, 상기 제2 프로브, 및 상기 제3 분자를 포함하는 융합 복합체를 형성하는 단계; 상기 샘플을 나노포어 디바이스의 제1 챔버에 로딩하는 단계로서, 상기 나노포어 디바이스는 적어도 하나의 나노포어 및 적어도 상기 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버는 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 전기적으로 및 유체적으로 교류하고, 나노포어 디바이스는 상기 적어도 하나의 나노포어 각각을 가로질러 제어되는 전압 전위 및 상기 적어도 하나의 나노포어 각각에 관련된 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 적어도 하나의 나노포어를 통해 통과하는 물체를 확인하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 나노포어를 통한 상기 융합 복합체 전위는 상기 융합 복합체와 관련된 검출 가능한 신호를 제공하는 단계; 및 상기 검출 가능한 신호를 관찰하여 상기 샘플에서 상기 융합 복합체의 존재 또는 부재를 결정하는 단계를 포함한다.Also provided herein is a method for detecting a polynucleotide or polynucleotide sequence in a sample, said method comprising contacting said sample with a first probe and a second probe, wherein said first probe comprises a first probe and a second probe, 1 probe under conditions that facilitate binding of the second probe to the second target sequence, wherein the second probe specifically binds to the first target sequence of the polynucleotide under conditions that promote binding of the second probe to the second target sequence, Lt; RTI ID = 0.0 > of: < / RTI > The sample is configured to be simultaneously bonded to the first and second probes when the first and second probes are sufficiently close to each other under conditions that promote binding of the third molecule to the first probe and the second probe, To form a fusion complex comprising the polynucleotide, the first probe, the second probe, and the third molecule; Loading the sample into a first chamber of a nanopore device, wherein the nanopore device includes at least one nanopore and at least the first chamber and the second chamber, Wherein the nanopore device further comprises a sensor associated with each of the at least one nanopore and a voltage potential controlled across each of the at least one nanopore, Wherein the sensor is configured to identify an object passing through the at least one nanopore, wherein the fusion complex potential through the at least one nanopore is indicative of a detectable signal associated with the fusion complex; And observing the detectable signal to determine the presence or absence of the fusion complex in the sample.

한 구체예에서, 상기 폴리뉴클레오티드는 DNA 또는 RNA이다. 한 구체예에서, 상기 검출 가능한 신호는 전기 신호이다. 한 구체예에서, 상기 검출 가능한 신호는 광신호이다. 한 구체예에서, 상기 충분한 근접함은 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 300, 400, 또는 500개 미만의 뉴클레오티드이다. 한 구체예에서, 상기 제3 분자는 PEG 또는 항체를 포함한다.In one embodiment, the polynucleotide is DNA or RNA. In one embodiment, the detectable signal is an electrical signal. In one embodiment, the detectable signal is an optical signal. In one embodiment, the sufficient proximity is 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 300, 400, or less than 500 nucleotides. In one embodiment, the third molecule comprises a PEG or an antibody.

한 구체예에서, 상기 제3 분자 및 상기 제1 및 제2 프로브는 ssDNA에 결합되고, 상기 제3 분자에 연결된 상기 ssDNA는 상기 제1 프로브에 연결된 ssDNA의 영역에 상보적인 영역을 포함하고 상기 제2 프로브에 연결된 ssDNA의 영역에 상보적이다. 한 구체예에서, 샘플에서 폴리뉴클레오티드 또는 폴리뉴클레오티드 서열을 검출하는 방법은 샘플을 제3 분자 또는 융합 복합체에 결합할 수 있는 하나 이상의 검출 가능한 라벨과 접촉시키는 단계를 더 포함한다.In one embodiment, the third molecule and the first and second probes are bound to ssDNA, and the ssDNA linked to the third molecule comprises a region complementary to a region of ssDNA linked to the first probe, 2 < / RTI > probe. In one embodiment, a method of detecting a polynucleotide or polynucleotide sequence in a sample further comprises contacting the sample with a third molecule or one or more detectable labels capable of binding to the fusion complex.

또한 제1 프로브, 제2 프로브, 및 제3 분자를 포함하는 키트가 본원에서 제공되는데, 제1 프로브는 표적 폴리뉴클레오티드 상의 제1 표적 서열에 결합하도록 구성되고, 제2 프로브는 상기 표적 폴리뉴클레오티드 상의 제2 표적 서열에 결합하도록 구성되며, 상기 제3 분자는 상기 제1 및 제2 프로브가 상기 제1 및 제2 표적 서열에서 상기 폴리뉴클레오티드에 결합될 때 제1 프로브 및 제2 프로브에 결합하도록 구성되며, 이로써 상기 제1 및 제2 프로브에 대한 상기 제3 분자의 동시 결합을 허용하기에 충분히 근접하게 제1 및 제2 프로브를 위치시킨다. Also provided herein is a kit comprising a first probe, a second probe, and a third molecule, wherein the first probe is configured to bind to a first target sequence on the target polynucleotide and the second probe is configured to bind on the target polynucleotide Wherein the third molecule is configured to bind to a first probe and a second probe when the first and second probes are bound to the polynucleotide in the first and second target sequences, Thereby positioning the first and second probes sufficiently close to allow simultaneous bonding of the third molecule to the first and second probes.

한 구체예에서, 상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브는 단백질, 펩티드, 핵산, TALEN, CRISPR, 펩티드 핵산, 또는 화합물로 구성된 군으로부터 선택된다. 한 구체예에서, 상기 제3 분자는 PEG 또는 항체를 포함한다. 한 구체예에서, 상기 제3 분자는 상기 프로브에 대한 결합 친화도를 변형시키기 위한 변형을 포함한다. In one embodiment, the first probe and the second probe are selected from the group consisting of a protein, a peptide, a nucleic acid, a TALEN, a CRISPR, a peptide nucleic acid, or a compound. In one embodiment, the third molecule comprises a PEG or an antibody. In one embodiment, the third molecule comprises a modification to modify the binding affinity for the probe.

또한 적어도 두 개의 챔버 및 나노포어를 포함하는 나노포어 디바이스가 본원에서 제공되는데, 상기 디바이스는 상기 나노포어 내에 폴리뉴클레오티드에 결합된 변형된 PNA 프로브를 포함한다.Also provided herein are nanopore devices comprising at least two chambers and nanopores, wherein the device comprises a modified PNA probe coupled to the polynucleotide in the nanopore.

또한, 두 개의 포어를 통해 대전된 폴리머를 검출하기 위한 이중-포어, 이중-증폭기 디바이스가 본원에서 제공되는데, 디바이스는 상부 챔버, 중간 챔버 및 하부 챔버를 포함하며, 제1 포어는 상부 챔버 및 중간 챔버를 연결하고, 제2 포어는 중간 챔버 및 하부 챔버를 연결하며, 상기 디바이스는 상기 제1 또는 제2 포어 내 폴리뉴클레오티드에 결합된 변형된 PNA 프로브를 포함한다.A dual-pore, dual-amplifier device for detecting charged polymers through two pores is also provided herein, the device comprising an upper chamber, an intermediate chamber and a lower chamber, wherein the first pore comprises an upper chamber and a middle chamber, And a second pore connects the intermediate chamber and the lower chamber, wherein the device comprises a modified PNA probe coupled to the polynucleotide in the first or second pore.

한 구체예에서, 디바이스는 상기 제1 포어 및 상기 제2 포어 둘 다를 통해 상기 대전된 폴리머의 이동을 동시에 제어하도록 구성된다. 한 구체예에서, 변형된 PNA 프로브는 적어도 하나의 PEG 분자에 결합된다. 한 구체예에서, 디바이스는 상부 챔버 및 중간 챔버 사이에서 제1 전압을 제공하고, 중간 챔버 및 하부 챔버 사이에서 제2 전압을 제공하도록 구성된 전력 공급장치를 더 포함하는데, 각각의 전압은 독립적으로 조정 가능하고, 중간 챔버는 두 개의 전압에 대하여 공통 접지에 연결되며, 디바이스는 각각의 포어에서 독립적인 전압 제어 및 전류 측정을 위해 구성된 이중-증폭기 전자장치를 제공하고, 두 개의 전압은 크기가 다를 수도 있으며, 제1 및 제2 포어는 대전된 폴리머가 양 방향으로 및 제어된 방식으로 두 개의 포어를 가로질러 동시에 이동할 수 있도록 구성된다.In one embodiment, the device is configured to simultaneously control the movement of the charged polymer through both the first pore and the second pore. In one embodiment, the modified PNA probe is bound to at least one PEG molecule. In one embodiment, the device further comprises a power supply configured to provide a first voltage between the upper chamber and the intermediate chamber and to provide a second voltage between the intermediate chamber and the lower chamber, wherein each voltage is independently adjusted Wherein the intermediate chamber is connected to a common ground for two voltages and the device provides a dual-amplifier electronics configured for independent voltage control and current measurement in each pore, and the two voltages may be of different sizes Wherein the first and second pores are configured such that the charged polymer can move simultaneously across the two pores in both directions and in a controlled manner.

제한이 아니라, 단지 예시로 도시되는 도면이 본 개시물의 구체예로서 제공된다.
도 1은 본원에서 개시된 방법의 한 구체예로서 나노포어에서 쌍으로 변형된 프로브에 결합된 표적 분자의 검출을 도시한다.
도 2는 복합체가 나노포어를 통해 전위할 때 생성된 전기 신호에 대하여 표적 분자에 대한 프로브 결합의 효과를 나타낸다.
도 3A 및 도 3B 각각은 각각의 표적 서열에서 폴리뉴클레오티드에 결합된 두 개의 프로브, 및 두 개의 프로브가 스캐폴드(scaffold)에 결합될 때 나노포어에서 프로브 검출을 용이하게 하기 위한 제3 브리징(bridging) 분자(예를 들어, 항체)를 이용한 구체예를 나타낸다.
도 4는 각각의 표적 서열에서 폴리뉴클레오티드에 결합된 두 개의 프로브를 나타내며, 제3 브리징 분자는 PEG이고 두 개의 프로브가 스캐폴드에 충분히 근접하게 결합될 때 프로브 검출을 가능하게 하도록 상보적 ssDNA 링커를 통해 프로브에 부착된다.
도 5는 근접함으로 인해, 예를 들어, 포스터 공명 에너지 전달(FRET)을 통해 생성된 광신호를 검출할 정도로 충분히 근접하게 각각의 표적 서열의 폴리뉴클레오티드에 결합된 두 개의 프로브를 나타낸다.
도 6A는 형광단 변형된 결합제의 검출을 가능하게 하도록 나노포어 디바이스와 에피형광 현미경(epifluorescence microscope)을 조합한 시스템의 개략도이다. 도 6B는 형광단이 평면 내 두 개의 나노포어 디바이스를 통과할 때 검출기를 통해 보이는 삽도이다. 도 6C는 스캐폴드가 나노포어를 통과할 때 전류 진폭 및 상응하는 형광 신호의 변화를 나타낸다.
도 7은 검출을 돕기 위해, 절단 가능한 기(예를 들어, 형광단)를 가지는 프로브의 결합을 나타낸다.
도 8은 표적 함유 분자에서 독특한 표적 서열에 각각 결합하는, 다른 크기의 프로브를 포함함으로써 본 기술의 다중 능력을 나타낸다. 이 삽도에서, 이중-가닥 DNA는 표적 서열 및 검출되길 바라는 표적 서열에 결합하는 다수의 다른 DNA 결합 프로브를 가진 폴리뉴클레오티드이다.
도 9A는 리간드 전하를 증가시켜서 나노포어에 의한 검출을 용이하게 하도록 변형된 PNA 리간드를 나타낸다. 도 9B는 이중-가닥 DNA가 표적 함유 폴리머 및 검출되길 바라는 표적 서열에 결합하는 다수의 다른 DNA 결합 프로브로서 사용된 예를 나타낸다.
도 10은 다중화된 검출을 허용하기 위해 나노포어를 가로질러 통과할 때 DNA에 결합된 다수의 별개의 서열-특이적 프로브를 나타낸다.
도 11A-C는 나노포어 및 나노포어를 통한 분자의 전위의 대표적인 전류 시그니처 및 집단을 나타낸다. 도 11A에서, 고체 상태 포어 및 전압 경로가 나타난다. 도 11B는 나노포어를 통과하는 분자의 전류 차단 및 체류 시간을 나타낸다. 도 11C는 체류 시간 및 평균 전류 진폭을 기반으로 하여 나노포어를 통과하는 분자의 특징적인 집단을 나타낸다.
도 12A는 DNA 스캐폴드에서 서열의 검출을 허용하도록 더 큰 뉴트라비딘 분자와 복합체를 형성하는 비오틴에 결합된 PNA 프로브의 사용의 예를 나타낸다. 도 12B는 DNA 스캐폴드에서 PNA 프로브에 대한 결합 부위를 나타낸다.
도 13는 미결합 DNA, 유리 뉴트라비딘, 및 DNA 및 뉴트라비딘에 결합되어 복합체를 형성한 PNA-비오틴의 전위를 나타낸다. 분자가 각각의 복합체에 대하여 인가된 전압 하에 나노포어를 통해 전위할 때 얻어진 전류 시그니처(y축 전류, x축 시간)가 또한 나타난다.
DNA/PNA/뉴트라비딘 복합체는 다른 백그라운드 이벤트 유형(예를 들어, 미결합 DNA 단독, 및 뉴트라비딘 단독)보다 검출 가능성이 크고, DNA 이벤트에 결합된 검출 가능한 PNA 프로브(즉 DNA/PNA/뉴트라비딘 복합체)로서 태그될 수 있는 전위 전류 시그니처를 유발한다.
도 14A는 세 개의 집단, DNA 단독(x), 뉴트라비딘 단독(사각형), 및 뉴트라비딘에 부착된 비오틴 프로브와 복합체를 형성한 DNA(원)에서 나노포어를 통한 전위로 인한 기간 및 평균 전도도 이동을 특징으로 하는 이벤트의 산점도를 나타낸다. 도 14B는 상기 기술된 세 개의 집단 각각에 관련된 체류 시간 확률의 히스토그램을 나타낸다. 도 14C는 DNA 단독(레인 2), DNA, 뉴트라비딘에 결합하기 위한 3개의 비오틴 부위를 가진 PNA, 및 뉴트라비딘을 포함하는 샘플(레인 3), DNA, 뉴트라비딘에 결합하기 위한 7개의 비오틴 부위를 가진 PNA, 및 뉴트라비딘을 포함하는 샘플(레인 3), DNA, 뉴트라비딘에 결합하기 위한 16개의 비오틴 부위를 가진 PNA, 및 뉴트라비딘을 포함하는 샘플(레인 3), 및 DNA, 뉴트라비딘에 결합하기 위한 36개의 비오틴 부위를 가진 PNA, 및 뉴트라비딘을 포함하는 샘플(레인 3)의 겔 이동 검정을 나타낸다.
도 15는 DNA 스캐폴드 상의 프로브 결합 부위의 도표를 나타내는데, 여기서 프로브는 VspR 단백질이다.
도 16A는 나노포어를 통과하는 미결합 DNA 분자, 및 나노포어를 통과하는 단일 분자와 관련된 대표적인 전류 시그니처의 다이어그램을 나타낸다. 도 16B는 나노포어를 통과하는 VspR-결합된 DNA 분자, 및 그것의 나노포어 통과와 관련된 대표적인 전류 시그니처를 나타낸다.
도 17은 포어를 통과하는 VspR-결합된 스캐폴드와 일치하는 10개 이상의 대표적인 전류 감쇠 이벤트를 나타낸다.
도 18A는 dsDNA 분자에서 표적 서열에 결합된 PNA-PEG 프로브를 나타낸다. 도 18B는 다음과 같은 샘플을 이용한 겔 이동 검정의 결과를 나타낸다: DNA 단독(레인 1), DNA/PNA(레인 2), DNA/PNA-PEG(10kDa)(레인 3), 및 DNA/PNA-PEG(20kDa)(레인 4). 도 18C는 다음과 같은 샘플을 이용한 겔 이동 검정의 결과를 나타낸다: DNA 마커(레인 1), PNA 프로브와 함께 인큐베이션된 랜덤 DNA 서열(레인 2), 해당 PNA 프로브와 함께 인큐베이션된 표적 서열에서 단일 미스매치를 가진 DNA(레인 3), 및 표적 서열에 특이적인 해당 PNA 프로브와 혼합된 표적 서열을 가진 DNA(레인 4).
도 19A는 아래 도시된 분자로서 각각의 전류 시그니처가 인가된 전압 하에 나노포어를 통해 전위하는 대표적인 전류 시그니처 이벤트를 나타낸다. 도 19B는 세 개의 집단, DNA/bisPNA(사각형), DNA/bisPNA-PEG 5kDa(원), 및 DNA/bisPNA-PEG 10kDa(다이아몬드)에서 나노포어를 통한 전위로 인해 기간 및 평균 전도도 이동을 특징으로 하는 이벤트의 산점도를 나타낸다. 도 19C는 상기 기술된 세 개의 집단 각각에 관련된 평균 전도도 이동 확률의 히스토그램을 나타낸다. 도 19D는 상기 기술된 세 개의 집단 각각에 관련된 이벤트 기간 확률의 히스토그램을 나타낸다.
도 20A는 DNA 분자에 결합된 PNA-PEG 프로브의 전위와 관련된 대표적인 이벤트 시그니처를 나타낸다. 도 20B는 박테리아 DNA 및 PNA-PEG 프로브를 포함하는 샘플의 나노포어에서 각각 기록된 이벤트에 대한 평균 전도도 이동 대 기간 플롯을 나타낸다. 도 20C 및 도 20D는 각각의 이벤트의 평균 전도도 이동 및 기간에 의해 검출된 이들 이벤트를 특성화하기 위해 해당하는 히스토그램을 나타낸다. 도 20E는 다음과 같은 겔 이동 검정의 결과를 나타낸다: 100bp 래더(레인 1), PNA-PEG 프로브와 함께 인큐베이션된 야생형 cftr 서열을 가진 300 bp DNA(레인 2), 및 PNA-PEG 프로브와 함께 인큐베이션된 cftr ΔF508 서열을 가진 300bp DNA(레인 3).
도 21A는 겔 이동 검정의 결과를 나타내는데, 레인 1은 bisPNA-PEG가 결합되지 않은 S. mitis 박테리아 DNA를 포함하고, 레인 2는 부위-특이적 bisPNA-PEG가 결합된 S. mitis DNA를 포함한다. 도 21B는 연이은 두 번의 실험에서 기록된 모든 이벤트에 대하여 세로축 상의 평균 전도도 이동(dG) 대 가로축 상의 기간의 산점도를 나타낸다. 제1 샘플은 PEG-변형된 PNA 프로브를 가진 박테리아 DNA(DNA/bisPNA-PEG)를 포함하였다. 제2 샘플은 박테리아 DNA 단독을 포함하였다.
일부 또는 모든 도면은 예시를 위한 개략도이며; 따라서, 그것들이 반드시 도시된 요소들의 실제 상대적 크기 또는 위치를 도시하는 것은 아니다. 도면은 하기 청구범위의 범위 또는 의미를 제한하지 않으면서, 명백한 이해를 가진 하나 이상의 구체예를 예시할 목적으로 제공된다.
The drawings, which are shown by way of example only and not by way of limitation, are provided as examples of the present disclosure.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 illustrates the detection of a target molecule bound to a probe modified in pairs in a nanopore as an embodiment of the method disclosed herein.
Figure 2 shows the effect of probe binding to a target molecule on the electrical signal generated when the complex is displaced through the nanopore.
3A and 3B each show two probes bound to a polynucleotide in each target sequence and a third bridging to facilitate probe detection in the nanopore when the two probes are bound to a scaffold ) Molecule (e. G., An antibody).
Figure 4 shows two probes bound to the polynucleotide in each target sequence, the third bridging molecule PEG and a complementary ssDNA linker to enable probe detection when the two probes are sufficiently close to the scaffold Lt; / RTI >
Figure 5 shows two probes coupled to the polynucleotides of each target sequence sufficiently close enough to detect an optical signal generated through, for example, Poster Resonance Energy Transport (FRET) due to proximity.
6A is a schematic diagram of a system combining a nanopore device and an epifluorescence microscope to enable detection of a fluorescent monosorbable binder. 6B is an illustration of the detector as it passes through two nanopore devices in a plane. Figure 6C shows the change in current amplitude and the corresponding fluorescence signal as the scaffold passes through the nanopore.
Figure 7 illustrates the coupling of a probe with a cleavable group (e.g., a fluorophore) to aid in detection.
Figure 8 shows the multiple capabilities of the technique by including probes of different sizes, each binding to a unique target sequence in a target containing molecule. In this illustration, double-stranded DNA is a polynucleotide with a target sequence and a number of other DNA-binding probes that bind to the target sequence desired to be detected.
Figure 9A shows a modified PNA ligand to increase the ligand charge to facilitate detection by the nanopore. Figure 9B shows an example in which double-stranded DNA is used as a target-containing polymer and a number of other DNA binding probes that bind to a target sequence desired to be detected.
Figure 10 shows a number of distinct sequence-specific probes that are coupled to DNA as they pass across the nanopore to allow multiplexed detection.
Figures 11A-C show representative current signatures and populations of potentials of molecules through nanopores and nanopores. 11A, a solid state pore and a voltage path are shown. Figure 11B shows the current interruption and residence time of the molecules passing through the nanopore. Figure 11C shows a characteristic population of molecules passing through a nanopore based on residence time and average current amplitude.
Figure 12A shows an example of the use of a PNA probe conjugated to biotin to form complexes with larger neutravidin molecules to allow detection of the sequence in the DNA scaffold. Figure 12B shows the binding site for the PNA probe in the DNA scaffold.
Figure 13 shows the potential of PNA-biotin conjugated to unbound DNA, free neutravidin, and DNA and neutravidin. The current signature (y-axis current, x-axis time) obtained when the molecule is displaced through the nanopore under an applied voltage for each complex also appears.
DNA / PNA / Nutravidin complexes are more detectable than other background event types (e. G., Unconjugated DNA alone, and neurotavidin alone), and detectable PNA probes (i.e., DNA / PNA / Lt; / RTI > complex).
Figure 14A shows the time and average conductivity shift due to dislocation through nanopores in DNA (circle) complexed with three groups, DNA alone (x), neutravidin single (square), and biotin probes attached to neutravidin ≪ / RTI > Figure 14B shows a histogram of the residence time probabilities associated with each of the three groups described above. FIG. 14C shows a sample containing DNA alone (lane 2), DNA, PNA with three biotin sites for binding to neutravidin and lupine (lane 3), DNA, seven biotin moieties for binding to neutravidin (Lane 3), DNA, PNA with 16 biotinyl moieties for binding to neutravidin, and a sample containing neutravidin (lane 3), and DNA, (Lane 3) containing PNA with 36 biotinyl moieties for conjugation, and neutravisin for binding.
Figure 15 shows a plot of probe binding sites on a DNA scaffold, wherein the probe is a VspR protein.
Figure 16A shows a diagram of representative current signatures associated with unbound DNA molecules passing through the nanopore, and a single molecule passing through the nanopore. Figure 16B shows a representative current signature associated with the VspR-bound DNA molecule passing through the nanopore, and its nanopore pass.
Figure 17 shows at least ten representative current decay events consistent with the VspR-coupled scaffold through the pores.
Figure 18A shows a PNA-PEG probe attached to a target sequence in a dsDNA molecule. Figure 18B shows the results of a gel migration assay using the following samples: DNA alone (lane 1), DNA / PNA (lane 2), DNA / PNA-PEG (lane 3) PEG (20 kDa) (lane 4). Figure 18C shows the results of a gel migration assay using the following samples: a DNA marker (lane 1), a random DNA sequence incubated with a PNA probe (lane 2), a single miss in the target sequence incubated with the PNA probe DNA with a match (lane 3), and DNA with a target sequence mixed with the corresponding PNA probe specific for the target sequence (lane 4).
19A shows a representative current signature event in which each current signature is displaced through a nanopore under an applied voltage as the molecule shown below. Figure 19B is characterized by the duration and average conductivity shift due to dislocations across the nanopore in three groups: DNA / bisPNA (square), DNA / bisPNA-PEG 5kDa (circle), and DNA / bisPNA-PEG 10kDa Of the event. Figure 19C shows a histogram of average conductivity shift probabilities associated with each of the three groups described above. Figure 19D shows a histogram of event duration probabilities associated with each of the three groups described above.
Figure 20A shows representative event signatures associated with the potential of PNA-PEG probes bound to DNA molecules. Figure 20B shows the mean conductivity shift versus time plot for events recorded respectively in nanopores of samples containing bacterial DNA and PNA-PEG probes. Figures 20C and 20D show corresponding histograms for characterizing these events detected by the average conductivity shift and duration of each event. Figure 20E shows the results of the gel migration assay as follows: 100 bp ladder (lane 1), 300 bp DNA with wild type cftr sequence incubated with PNA-PEG probe (lane 2), and incubation with PNA- 300 bp DNA with the cftr? F508 sequence (lane 3).
Figure 21A are the determination of the gel moves black, lane 1 contains the S. mitis bacterial DNA is bisPNA PEG-unbound, and lane 2 is a part-includes a S. mitis DNA binding is specific bisPNA-PEG . Figure 21B shows the scatter plot of the mean conductivity shift (dG) on the ordinate vs. the duration on the abscissa for all events recorded in two subsequent experiments. The first sample contained bacterial DNA (DNA / bisPNA-PEG) with a PEG-modified PNA probe. The second sample contained bacterial DNA alone.
Some or all of the figures are schematic diagrams for illustration; Accordingly, they do not necessarily indicate the actual relative sizes or locations of the illustrated elements. The drawings are provided for the purpose of illustrating one or more embodiments having a clear understanding without limiting the scope or meaning of the following claims.

이 출원 전반에 걸쳐, 본 명세서는 본 영양소, 조성물, 및 방법의 다양한 구체예를 나타낸다. 기술된 다양한 구체예는 다양한 예시적 실시예를 제공하는 것을 의미하며 대안의 종에 대한 설명으로 해석되어서는 안 된다. 오히려 본원에서 제공된 다양한 구체예의 설명은 범위가 중복될 수 있음을 알아야 한다. 본원에서 논의된 구체예는 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의미하지 않는다. Throughout this application, this specification represents various embodiments of the present nutrients, compositions, and methods. The various embodiments described are meant to provide various exemplary embodiments and should not be construed as an explanation of alternative species. Rather, it should be understood that the description of various embodiments provided herein may be duplicated. The embodiments discussed herein are illustrative only and are not meant to limit the scope of the present invention.

또한, 본 개시물 전반에 걸쳐, 다양한 간행물, 특허 및 공개된 특허 명세서는 확인 인용에 의해 참조된다. 이 간행물, 특허 및 공개된 특허 명세서의 개시물은 본 발명이 적용되는 기술의 상태를 더 충분히 기술하기 위해 본 개시물에 참고로 포함된다.In addition, throughout this disclosure, various publications, patents, and published patent specifications are hereby incorporated by reference. The disclosures of these publications, patents, and published patent specifications are incorporated herein by reference in order to more fully describe the state of the art to which the present invention is directed.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 단수형 "한", "하나" 및 "그"는 문맥상 달리 명확하게 지시되지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 예를 들어, 용어 "전극"은 복수의 전극을 포함하며, 그 혼합물을 포함한다. The singular forms " a ", "an ", and" an ", as used in the specification and claims, include a plurality of referents unless the context clearly dictates otherwise. For example, the term "electrode" includes a plurality of electrodes and includes the mixture.

본원에서 사용된 용어 "포함하는"은 디바이스 및 방법이 인용된 구성요소 또는 단계를 포함하지만, 다른 것들을 배제하지 않는다는 것을 의미하도록 의도된다. "본질적으로 구성되는"은 디바이스 및 방법을 한정하도록 사용될 때 조합에 대하여 임의의 본질적인 중요성을 가지는 다른 구성요소 또는 단계를 제외하는 것을 의미한다. "구성되는"은 다른 구성요소 또는 단계를 제외하는 것을 의미한다. 이 전환 용어들 각각에 의해 한정되는 구체예들은 본 발명의 범위 내에 있다. The term "comprising " as used herein is intended to mean that the device and method include the recited element or step, but do not preclude others. "Essentially composed" means excluding other elements or steps having any essential significance to the combination when used to define the device and method. "Comprising" means excluding another element or step. Embodiments defined by each of these transition terms are within the scope of the present invention.

범위를 포함하는, 모든 수 명칭, 예를 들어, 거리, 크기, 온도, 시간, 전압 및 농도는, 파라미터의 측정에서 통상적인 실험적 변화를 포함하도록 의도되는 근사치이며, 상기 변화는 기술된 구체예의 범위 내에 있도록 의도된다. 항상 명확하게 진술되는 것은 아니지만, 모든 수 명칭은 용어 "약"에 의해 선행되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 항상 명확하게 진술되는 것은 아니지만, 본원에서 기술된 구성요소는 단지 예시일 뿐이고 이러한 것들의 균등물이 업계에 공지되어 있는 것으로 이해되어야 한다.All nomenclature, e.g., distance, size, temperature, time, voltage, and concentration, including ranges, are approximations that are intended to include conventional experimental changes in the measurement of parameters, . It should be understood that, although not always explicitly stated, all numerical designations are preceded by the term "about ". Also, while not always expressly stated, it is to be understood that the components described herein are illustrative only and that equivalents of those are known in the art.

용어 "나노포어"(또는, "포어")는 본원에서 사용된 바와 같이 두 개의 부피를 분리하는 막의 단일 나노-스케일 개구부를 말한다. 포어는, 예를 들어, 지질 이중층 막에 삽입된 단백질 채널일 수 있거나, 또는 드릴링(drilling), 에칭(etching)에 의해 또는 얇은 고체 상태 기판, 예컨대 질화규소(silicon nitride) 또는 이산화규소(silicon dioxide) 또는 그래핀 또는 이들 또는 다른 물질들의 조합 층을 통한 전압-펄스 방법을 사용하여 조작될 수 있다. 기하학적으로는, 포어의 직경은 0.1nm 내지 1 마이크론(micron)의 크기이며; 포어의 길이는 막 두께에 의해 결정되며, 이 막 두께는 나노미터 미만, 또는 최대 1 마이크론 이상일 수 있다. 수백 나노미터보다 더 두꺼운 막에 대하여, 나노포어는 "나노 채널"이라고 불릴 수도 있다.The term "nanopore" (or "pore") refers to a single nano-scale opening of a membrane separating two volumes as used herein. The pores can be, for example, protein channels embedded in a lipid bilayer membrane or can be formed by drilling, etching or by using a thin solid state substrate, such as silicon nitride or silicon dioxide, Or graphene, or a combination of these or other materials. Geometrically, the diameter of the pores is between 0.1 nm and 1 micron; The length of the pores is determined by the film thickness, which may be less than nanometers or up to 1 micron or more. For membranes thicker than a few hundred nanometers, nanopores may be referred to as "nanochannels ".

본원에서 사용된, 용어 "나노포어 기구"는 하나 이상의 나노포어와 단일 분자 이벤트를 감지하기 위한 회로가 (병렬로 또는 직렬로) 조합된 디바이스를 말한다. 구체적으로는, 나노포어 기구는 민감성 전압-클램프 증폭기를 사용하여 포어를 통해 전류를 측정하면서 포어 또는 포어들을 가로질러 특정 전압을 인가한다. 단일 대전된 분자, 예컨대 이중-가닥 DNA(dsDNA)가 전기영동에 의해 포어를 통해 캡쳐되고 구동된 경우, 측정된 전류는 시프트하며, 이는 캡쳐 이벤트(즉, 나노포어를 통한 분자의 전위, 또는 나노포어에서 분자의 캡쳐), 및 이벤트의 시프트량(전류 진폭) 및 기간이 나노포어에서 캡쳐된 분자를 특성화하는데 사용된다는 것을 나타낸다. 실험 중에 많은 이벤트를 기록한 후, 이벤트 분포를 분석하여 시프트량(즉, 전류 시그니처)에 따라 해당하는 분자를 특성화한다. 따라서, 나노포어는 생체 분자를 감지하기 위한 단순하고, 라벨이 필요 없으며, 순수하게 전기적인 단일 분자 방법을 제공한다.As used herein, the term "nanopore device" refers to a device in which one or more nanopores and a circuit for sensing single molecule events are combined (in parallel or in series). Specifically, a nanopore instrument uses a sensitive voltage-clamp amplifier to measure a current through a pore while applying a specific voltage across the pores or pores. When a single-charged molecule, such as double-stranded DNA (dsDNA), is captured and driven through the pore by electrophoresis, the measured current shifts, which is a function of the capture event (i.e. the potential of the molecule through the nanopore, Capture of molecules in the pore), and the amount of shift of the event (current amplitude) and duration are used to characterize the molecules captured in the nanopore. After recording many events during the experiment, the event distribution is analyzed and the corresponding molecules are characterized according to the shift amount (i.e., current signature). Thus, nanopores provide a simple, label-free, purely electrical, single-molecule method for detecting biomolecules.

본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "이벤트"는 나노포어를 통해 검출 가능한 분자 또는 분자 복합체의 전위 및 그것과 관련된 측정을 말한다. 이벤트는 전류, 기간, 및/또는 나노포어에서 분자의 검출의 다른 특성에 의해 한정될 수 있다. 유사한 특성을 가진 복수의 이벤트는 동일하거나 유사한 특성(예를 들어, 벌크, 전하)을 가진 분자 또는 복합체의 집단을 나타낸다.As used herein, the term "event" refers to the potential of a molecule or molecular complex detectable through a nanopore and the measurement associated therewith. The event may be defined by current, duration, and / or other characteristics of the detection of the molecule in the nanopore. A plurality of events with similar characteristics represent a group of molecules or complexes having the same or similar characteristics (e.g., bulk, charge).

분자적 검출Molecular detection

본 개시물은 분자의 검출 및 정량을 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 또한, 본 방법 및 시스템은 표적 분자에 결합하는 프로브의 친화도를 측정하도록 구성될 수 있다. 또한, 이러한 검출, 정량, 및 측정은 다중화된 방식으로 수행될 수 있으며, 이는 효율을 크게 증가시킨다.The present disclosure provides methods and systems for the detection and quantification of molecules. The method and system can also be configured to measure the affinity of a probe that binds to a target molecule. Further, such detection, quantification, and measurement can be performed in a multiplexed manner, which greatly increases efficiency.

도 1은 개시된 방법 및 시스템의 한 구체예의 예시를 제공한다. 더 구체적으로는, 본 시스템은 검출되거나 정량화되기를 바라는 표적 모티프(101)를 함유하는 표적 함유 분자(102)를 포함한다. 프로브(103)는 표적 함유 분자(102) 상의 특이적 결합 모티프(101)에 결합할 수 있다. 표적 함유 폴리뉴클레오티드 상에 존재하는 프로브(107)의 검출을 돕기 위해 별도의 분자가 추가될 수 있다.Figure 1 provides an illustration of one embodiment of the disclosed method and system. More specifically, the system includes a target containing molecule 102 containing a target motif 101 that it desires to be detected or quantified. The probe 103 can bind to the specific binding motif 101 on the target-containing molecule 102. Additional molecules may be added to aid in the detection of probes 107 present on the target containing polynucleotide.

그러므로, 모두 용액에 존재하는 경우, 프로브(103)는 표적 모티프(101)에 대한 프로브의 특이적 인식을 통해 표적 모티프에 결합한다. 이러한 결합은 프로브 및 표적 서열을 포함하는 복합체의 형성을 유발한다.Therefore, when all are present in the solution, the probe 103 binds to the target motif through specific recognition of the probe to the target motif 101. [ Such binding results in the formation of a complex comprising the probe and the target sequence.

형성된 복합체(101/103 또는 101/103/107)는 디바이스의 내부 공간을 3개의 부피로 분리하는 두 개의 포어(105 및 106), 및 포어를 통과하는 물체를 확인하도록 구성된 포어에 인접한 센서를 포함하는 디바이스(104)에 의해 검출될 수 있다. 이 구체예는 직렬로 두 개의 나노포어를 구비한 이중 나노포어 디바이스이다. 일부 구체예에서, 나노포어 디바이스는 나노포어를 가로질러 전류 흐름을 측정하기 위한 회로와 함께 나노포어를 가로질러 제어된 전압(일부 구체예에서, 이 전압은 독립적으로 제어되고 클램핑될 수 있다)을 전달하기 위한 전자적 구성요소를 포함한다. 전압은 제어된 방식으로 폴리뉴클레오티드를 포어를 가로질러 한 부피에서 다른 부피로 이동시키도록 조정될 수 있다. 폴리핵산은 대전되거나 전하를 함유하도록 변형되고, 포어를 가로질러 인가된 전위 또는 전압 차동은 전압 필드(voltage field)에 노출된 대전된 분자에서 정전기력의 인가를 통해 대전된 스캐폴드의 이동을 용이하게하고 제어한다. 도 1은 이중 나노포어 디바이스를 나타내지만, 상기 기술된 원칙들은 단일 나노포어 디바이스를 사용하는 본 발명의 다른 구체예에도 적용될 수 있다. 별도로 명시되지 않는 한, 포어 또는 나노포어 또는 나노포어 디바이스에 대한 참고자료는 본 발명의 사상 내에서 단일, 이중 또는 다중-포어 디바이스를 포함하는 것으로 의도된다.The formed composite 101/103 or 101/103/107 includes two pores 105 and 106 separating the internal space of the device into three volumes and a sensor adjacent to the pore configured to identify an object passing through the pore Lt; RTI ID = 0.0 > 104 < / RTI > This embodiment is a dual nanopore device with two nanopores in series. In some embodiments, the nanopore device is capable of generating a controlled voltage across the nanopore (in some embodiments, the voltage can be independently controlled and clamped), along with circuitry for measuring current flow across the nanopore And electronic components for delivery. The voltage can be adjusted to move polynucleotides from one volume to another across the pores in a controlled manner. The poly-nucleic acid is modified to be charged or charged and the applied potential or voltage differential across the pore facilitates movement of the charged scaffold through the application of electrostatic force on the charged molecule exposed to the voltage field Respectively. Figure 1 shows a dual nanopore device, but the principles described above can be applied to other embodiments of the invention using a single nanopore device. Unless otherwise specified, references to pore or nanopore or nanopore devices are intended to include single, dual or multi-pore devices within the scope of the present invention.

형성된 복합체를 포함하는 샘플이 나노포어에 로딩될 때, 나노포어는 표적 함유 분자가 포어를 통과하도록 구성될 수 있다. 표적 모티프가 포어 내에 있거나 또는 포어에 인접할 때, 표적 모티프의 결합 상태는 센서에 의해 검출될 수 있다.When a sample comprising the formed complex is loaded into the nanopore, the nanopore can be configured such that the target containing molecule passes through the pore. When the target motif is within the pore or adjacent to the pore, the binding state of the target motif can be detected by the sensor.

표적 모티프의 "결합 상태"는, 본원에서 사용된 바와 같이, 결합 모티프가 프로브에 의해 점유되는지를 말한다. 본질적으로, 결합 상태는 결합되거나 결합되지 않은 상태이다. 또한, (i) 표적 모티프는 유리되고 프로브에 결합되지 않거나(도 2에서 201 및 204 참조), (ii) 표적 모티프는 프로브에 결합된다(도 2에서 202 및 205 참조). 추가적으로, 다른 크기의 프로브 또는 다른 프로브 결합 부위를 가진 프로브는 하나 이상의 표적 서열이 하나의 표적 함유 분자에서 검출될 수 있도록 추가적인 전류 프로파일(예를 들어, 도 2에서 203 및 206 참조)을 제공하는데 사용될 수 있다.The "binding state" of the target motif refers to whether the binding motif is occupied by the probe, as used herein. Essentially, the bonded state is bonded or unbound. Also, (i) the target motif is liberated and not bound to the probe (see 201 and 204 in FIG. 2) or (ii) the target motif is bound to the probe (see 202 and 205 in FIG. 2). Additionally, probes of different size or with different probe binding sites may be used to provide additional current profiles (see, e.g., 203 and 206 in FIG. 2) such that one or more target sequences can be detected in one target containing molecule .

표적 모티프의 결합 상태의 검출은 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 한 양태에서, 각각의 상태의(즉, 점유되거나 점유되지 않는) 표적 모티프의 다른 크기에 의해, 표적 모티프가 포어를 통과할 때, 다른 크기는 포어를 가로질러 다른 전류를 발생시킨다. 이 점에 있어서, 전력원에 연결되어 전류를 검출할 수 있는 전극이 감지 기능을 제공할 수 있기 때문에, 별도의 센서가 검출에 필요하지 않다. 그러므로, 두 개의 전극이 "센서"의 역할을 할 수 있다.Detection of the binding state of the target motif can be performed in various ways. In one embodiment, different sizes of target motifs in each state (i.e., occupied or unoccupied) cause different magnitudes to generate different currents across the pores as the target motif passes through the pores. In this regard, a separate sensor is not required for detection, since an electrode connected to a power source and capable of detecting current can provide a sensing function. Therefore, the two electrodes can act as "sensors ".

일부 양태에서, 작용제(예를 들어, 도 1에서 107)가 검출을 부가하기 위해 복합체에 추가된다. 이 작용제는 프로브 또는 폴리뉴클레오티드/프로브 복합체에 결합할 수 있다. 한 양태에서, 작용제는 검출을 용이하게 하기 위해, 음전하이든 양전하이든, 전하를 포함한다. 또 다른 양태에서, 작용제는 검출을 용이하게 하기 위해 크기를 부가한다. 또 다른 양태에서, 작용제는 검출 가능한 라벨, 예컨대 형광단을 포함한다.In some embodiments, an agent (e. G., 107 in Figure 1) is added to the complex to add detection. This agent can bind to the probe or polynucleotide / probe complex. In one embodiment, the agonist includes charge, either negative or positive, to facilitate detection. In another embodiment, the agent adds a size to facilitate detection. In another embodiment, the agent comprises a detectable label, such as a fluorescent moiety.

이러한 맥락에서, 결합된 상태(ii)의 확인은 표적 함유 분자 내 표적 서열이 프로브와 복합체를 형성한다는 것을 나타낸다. 다시 말하면, 표적 서열이 검출된다.In this context, identification of the bound state (ii) indicates that the target sequence in the target containing molecule forms a complex with the probe. In other words, the target sequence is detected.

또 다른 구체예에서, 결합된 분자는 임피던스 변화에 의해 결합된 분자를 개별적으로 검출하기 위해서 이격되어 있으며, 각각의 결합된 분자는 인근의 결합된 분자에 의해 마스킹되지 않는 임피던스 값을 제공한다.In another embodiment, the bound molecules are spaced apart to individually detect bound molecules by impedance changes, and each bound molecule provides an impedance value that is not masked by the adjacent bound molecule.

한 구체예에서, 결합된 프로브는 적어도 1 nm의 거리만큼(즉, 핵산-기반 폴리뉴클레오티드에 대하여 대략 3 bp) 떨어져 있다. 또 다른 구체예에서, 결합된 프로브는 적어도 10 nm의 거리만큼(즉, 핵산-기반 폴리뉴클레오티드에 대하여 대략 33 bp) 떨어져 있다. 또 다른 구체예에서, 결합된 프로브는 적어도 100 nm의 거리만큼(즉, 핵산-기반 폴리뉴클레오티드에 대하여 대략 333 bp) 떨어져 있다. 또 다른 구체예에서, 결합된 프로브는 적어도 500 nm의 거리만큼(즉, 핵산-기반 폴리뉴클레오티드에 대하여 대략 1666 bp) 떨어져 있다.In one embodiment, the bound probe is separated by a distance of at least 1 nm (i.e., approximately 3 bp relative to the nucleic acid-based polynucleotide). In another embodiment, the bound probe is separated by a distance of at least 10 nm (i.e., approximately 33 bp relative to the nucleic acid-based polynucleotide). In yet another embodiment, the bound probe is separated by a distance of at least 100 nm (i.e., approximately 333 bp relative to the nucleic acid-based polynucleotide). In yet another embodiment, the bound probe is separated by a distance of at least 500 nm (i.e., approximately 1666 bp relative to the nucleic acid-based polynucleotide).

일부 양태에서, 상기 방법은 폴리뉴클레오티드에 결합되면 서로 충분히 가까운 경우에, 제3 분자에 결합할 수 있는 두 개의 독립적인 프로브를 가지는 단계를 더 포함한다. 이 제3 분자의 결합은 다른 전위 전류 시그니처를 제공하므로, 이는 두 개의 독립적인 프로브가 아주 근접하다는 증거를 제공한다.In some embodiments, the method further comprises the step of having two independent probes capable of binding to a third molecule when they are sufficiently close to each other when bound to the polynucleotide. This binding of the third molecule provides different potential current signatures, providing evidence that two independent probes are in close proximity.

프로브가 아주 가까이에서 결합하는지를 결정하는 메커니즘은 본 발명자들이 단일 염기쌍 미스매치를 구별할 수 있고, 단일 뉴클레오티드 다형성(또는 단일 뉴클레오티드 돌연변이)를 가진 대립유전자, 및 더 긴 프로브를 검출할 수 있게 하여 게놈에서 독특한 위치를 확립하기 위한 마커로서 작용하는 짧은 프로브를 사용할 수 있게 한다. 한 구체예에서, 본 발명자들은 특정 서열이 특정 표적 유전자와 관련되어 있는지를 결정하기 위해서 조합된 두 개의 프로브를 사용한다. 또 다른 구체예에서, 이 방법은 게놈의 영역에 대한 마커로서 프로브를 사용함으로써 구조적 재배열을 결정하는데 사용된다. 또 다른 구체예에서, 본 발명자들은 특정 서열이 화학적으로(후생유전학적으로, 예를 들어 메틸화, 하이드록시메틸화) 변형되고 특정 표적 유전자와 관련되어 있는지를 결정하기 위해 조합된 두 개의 프로브를 사용한다.The mechanism for determining whether a probe binds in close proximity allows the inventors to detect single base pair mismatches, detect alleles with a single nucleotide polymorphism (or single nucleotide mutation), and longer probes, Enabling the use of short probes acting as markers to establish a unique position. In one embodiment, the inventors use two probes combined to determine whether a particular sequence is associated with a particular target gene. In another embodiment, the method is used to determine a structural rearrangement by using a probe as a marker for a region of the genome. In another embodiment, the inventors use two probes combined to determine whether a particular sequence is chemically modified (e. G., Genetically, e.g. methylated, hydroxymethylated) and associated with a particular target gene .

한 구체예에서, 제3 분자는 적어도 두 개의 프로브가 폴리뉴클레오티드(304)에 결합되고 서로 상당히 가까운 경우(0.01 nm - 50 nm) 단지 프로브(305 및 306)에만 결합하는 항체이다(도 3A). 또 다른 구체예에서, 항체(301)에 대한 에피토프의 절반은 각각의 프로브 분자(302 및 303)에 연결되어(공유 결합에 의한 부착, 이온성, H-결합, 등을 통해) 항체 결합이 매우 근접하게 위치한 두 개의 에피토프에 의존적이게 되며, 이는 프로브가 서로 충분히 가깝다는 것을 나타낸다(도 3B). 한 구체예에서, 각각의 프로브는 PNA 분자이고, 각각의 PNA 분자는 항체에 대한 결합 에피토프의 세그먼트를 포함하거나 이것에 부착된다(공유 결합에 의한 부착, 이온성, H-결합, 등). 이 구체예에서, 부분적 에피토프는 폴리뉴클레오티드와 복합체를 형성하도록 항체가 결합하기에 충분히 가까이에 있어야 한다.In one embodiment, the third molecule is an antibody that binds only to probes 305 and 306, if at least two probes are bound to polynucleotide 304 and are fairly close to each other (0.01 nm to 50 nm) (Figure 3A). In yet another embodiment, half of the epitope for antibody 301 is linked to the respective probe molecules 302 and 303 (via covalent attachment, ionic, H-bonding, etc.) Dependent on the two epitopes located close together, indicating that the probes are close enough together (Figure 3B). In one embodiment, each probe is a PNA molecule, and each PNA molecule comprises or is attached to a segment of the binding epitope for the antibody (attachment by covalent bonds, ionic, H-bonding, etc.). In this embodiment, the partial epitope should be close enough for the antibody to bind to form a complex with the polynucleotide.

또 다른 구체예에서, PEG 분자(310)는 제3 분자로서 매우 근접하게 두 개의 프로브(302 및 303)에 결합하는데 사용되고 폴리뉴클레오티드(304)에 결합된다. 일부 구체예에서, PEG는 충분한 벌크, 전하, 또는 존재할 때 독특한 시그니처를 허용하는 다른 특징들을 제공하도록 변형된다(도 4). 일부 구체예에서, PEG는 매우 근접한 프로브에 대한 결합 친화도를 증가시키도록 변형된다. PEG 상에서 이 결합 변형은, 예를 들어, PEG의 각각의 단부에서 각각의 프로브에 부착된 유리 단일-가닥 DNA(ssDNA)와 상보적인 ssDNA 분자일 수 있다. 한 구체예에서, 프로브에의 PEG 결합에 필요한 에너지 장벽은 두 개의 ssDNA 올리고가 프로브에 부착된 그것들의 상보적 서열에 결합될 때만 충족된다(도 4). 따라서, PEG가 걸쳐있는 거리에 있는 프로브는 PEG/프로브/폴리뉴클레오티드 복합체의 검출을 통해 나노포어에서 검출되는 반면, 멀리 떨어져 있는 것들은 그렇지 않다. 당업자는 ssDNA가 합성 핵산 유사체, 예컨대 PNA로 또는 RNA에 의해 치환될 수 있다는 것을 인식할 것이다.In another embodiment, the PEG molecule 310 is used to bind the two probes 302 and 303 very closely as a third molecule and binds to the polynucleotide 304. In some embodiments, the PEG is modified to provide sufficient bulk, charge, or other features that permit a unique signature when present (FIG. 4). In some embodiments, the PEG is modified to increase the binding affinity for the proximal probe. This binding modification on PEG may be, for example, a ssDNA molecule complementary to free single-stranded DNA (ssDNA) attached to each probe at each end of the PEG. In one embodiment, the energy barrier required for PEG binding to the probe is met only when two ssDNA oligos are attached to their complementary sequences attached to the probe (Figure 4). Thus, probes at a distance over which PEG spans are detected in nanopores through the detection of PEG / probe / polynucleotide complexes, while distant ones are not. Those skilled in the art will recognize that ssDNA can be replaced by synthetic nucleic acid analogs, such as PNA or RNA.

일부 양태에서, 두 개의 독립적인 프로브는 그것들이 매우 가까이에서 폴리뉴클레오티드에 결합되면 검출을 허용하도록 변형된다. 한 구체예에서, 프로브에 대한 변형은 단일 프로브/폴리뉴클레오티드 복합체가 제2 프로브에 매우 근접하지 않으면서 나노포어를 통과할 때 전류 시그니처로부터 구별되는 바와 같이, 프로브가 매우 가까이에서 폴리뉴클레오티드에 결합되어 나노포어를 통과할 때 전류 시그니처를 변화시키기 위한 프로브의 이온 변화를 포함한다. 한 구체예에서, 두 개의 프로브에 양전하를 추가하는 것은(예를 들어, 2-하이드록시에틸티오설포네이트(MTSET)로 프로브를 라벨링함으로써) 멀리 떨어져 있는 폴리뉴클레오티드에 결합하는 것과는 달리, 두 개의 프로브가 폴리뉴클레오티드를 따라 공간적으로 충분히 가깝고 전하의 효과가 부가될 때 다른 전위 전류 시그니처를 제공한다.In some embodiments, two independent probes are modified to allow detection when they are bound to the polynucleotide in close proximity. In one embodiment, the modification to the probe is such that the probe is bound to the polynucleotide in very close proximity, as distinguished from the current signature when the single probe / polynucleotide complex passes through the nanopore without being very close to the second probe And includes ion changes in the probe to change the current signature as it passes through the nanopore. In one embodiment, adding a positive charge to two probes (as by labeling the probe with, for example, 2-hydroxyethyl thiosulfonate (MTSET)), as opposed to binding to a polynucleotide farther away, Is spatially close enough along the polynucleotide and provides a different potential current signature when the effect of charge is added.

일부 양태에서, 본 방법은 표적 집단에서 단 하나의 독특한 서열에 대한 결합을 가능하게 하도록 충분히 길지만, 단일 염기쌍 미스매치만이 존재하는 경우 표적 부위에 결합하지 않는 능력을 갖는 프로브를 사용하는 단계를 더 포함한다. 이는 PNA 프로브를 사용할 때 가능하다. 문헌(Strand-Invasion of Extended, Mixed-Sequence B-DNA by γPNAs, G. He, D. Ly et. al., J Am Chem Soc. 2009 September 2; 131(34): 12088-12090. doi:10.1021/ja900228j)에 제시된 바와 같이, 20 bp 감마-PNA 프로브는 완전히 일치된 표적 서열에 효율적으로 결합할 수 있지만, 표적 서열 및 프로브 서열이 단 하나의 염기라도 다를 때는 결합이 폐지된다. 31억 개의 염기를 함유하는 인간 게놈을 고려할 때, 20개의 염기쌍 서열은 무작위로 0.003회 발생할 가능성이 있다. 따라서, 조사 중인 특이적 서열에 결합하도록 설계된 20개의 염기쌍 프로브는 원치 않는 위치에 결합하여 위양성(false positive)을 제공할 가능성이 매우 낮다. 도 19C 및 21 내에 함유된 예들은 PNA 및 PNA-PEG 프로브가 단지 상보적 서열에만 선택적으로 결합한다는 것을 보여준다.In some embodiments, the method further comprises the step of using a probe that is long enough to allow binding to only one unique sequence in the target population, but has the ability to not bind to the target site when only a single base pair mismatch is present . This is possible when using PNA probes. (Strand-Invasion of Extended, Mixed-Sequence B-DNA by? PNAs, G. He, D. Ly et al., J Am Chem Soc. 2009 September 2; 131 (34): 12088-12090. / ja900228j), the 20 bp gamma-PNA probe can efficiently bind to a perfectly matched target sequence, but the binding is abolished if the target sequence and probe sequence differ even by a single base. Considering the human genome containing 3.1 billion bases, the 20 base pair sequence is likely to occur randomly 0.003 times. Thus, the 20 base pair probes designed to bind to the specific sequence under investigation are very unlikely to bind to unwanted sites and provide false positives. The examples contained in Figures 19C and 21 show that the PNA and PNA-PEG probes selectively bind only to complementary sequences.

일부 양태에서, 본 방법은 두 개의 프로브가 충분히 가까이에서 폴리뉴클레오티드에 부착될 때 검출 가능한 신호를 방출하는 요소들을 포함하는 두 개의 독립적인 프로브를 가지는 단계를 더 포함한다. 한 구체예에서, 각각의 프로브는 형광단으로 라벨링된다(예를 들어, 도 5(315, 316) 참조). 방출 스펙트럼은 프로브가 검출 가능한 신호를 발생시킬 정도로 충분히 가까이에 있을 때 검출기(317)에 의해 검출된다. 한 구체예에서, 두 개의 프로브는 다른 색깔의 형광단으로 라벨링된다. 프로브가 가까이에 있을 때, 외부 센서, 예컨대 카메라 또는 현미경으로 검출될 수 있는 색깔이 함께 이미화될 것이며(또는 블렌딩되어 새로운 색깔을 제공할 것이다), 이는 두 개의 프로브가 공간적으로 가깝다는 증거가 된다. 관련된 구체예에서, FRET (또는 BRET) 유형 검출을 사용하여, 예를 들어 가까이에 있을 때 하나의 형광 라벨링된 프로브가 다른 하나의 에너지 방출 스펙트럼에 영향을 미칠 정도로 두 개의 프로브가 근접했는지를 결정한다.In some embodiments, the method further comprises the step of having two independent probes comprising elements that emit a detectable signal when the two probes are sufficiently close to the polynucleotide to be attached. In one embodiment, each probe is labeled with a fluorophore (see, e.g., Fig. 5 (315, 316)). The emission spectrum is detected by the detector 317 when the probe is close enough to generate a detectable signal. In one embodiment, the two probes are labeled with different colored fluorophore ends. When the probe is in close proximity, colors that can be detected with an external sensor, such as a camera or a microscope, will be imaged (or blended to provide a new color) together, which is evidence that the two probes are spatially close together. In a related embodiment, FRET (or BRET) type detection is used to determine if two probes are close enough so that, for example, one fluorescently labeled probe affects the other's energy release spectrum .

일부 구체예에서, 검출 가능한 라벨은 형광단이다. 형광단을 검출하기 위해서, 유리 커버를 구비한, 평면으로 제작된 나노포어 디바이스는 이중 전류 진폭 및 형광 신호 검출을 가능하게 하도록 에피형광 현미경과 조합될 수 있다. 도 6A는 이러한 디바이스가 추가된 형광단 라벨을 검출하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 보여준다. 나노포어 디바이스는 에피형광 현미경의 대물렌즈 아래에 배치된다. 나노포어 측정이 수행될 때, 이 현미경은 나노포어 영역을 계속해서 이미지화한다. 나노포어 영역은 형광단의 여기 스펙트럼에 해당하는 파장만이 통과되도록 필터링되는 광역 여기 공급원에 의해 조사된다. 이색성 필터(dichroic filter)는 다른 모든 파장을 반영하는 한편 형광단의 방출 스펙트럼에 해당하는 파장의 전송을 선택적으로 허용한다. 형광단 변형된 결합 분자가 나노포어를 통과할 때 형광단은 여기 스펙트럼을 흡수하고 방출 스펙트럼을 재방출한다. 검출기 전방의 방출 필터는 단지 형광단의 방출 스펙트럼에 해당하는 파장만이 검출된다는 것을 보장한다. 따라서 검출기는 형광단이 나노포어를 통과할 때만 신호를 가질 것이다. 도 6B는 형광단의 방출 중에 현미경으로 보이는 나노포어 디바이스의 평면도를 나타낸다. 도 6C는 형광단의 검출이 나노포어의 신호와 함께 사용될 수 있는지를 나타낸다. 두 개의 신호의 사용은 생체 분자의 검출시 신뢰도를 향상시킨다.In some embodiments, the detectable label is a fluorophore. To detect the fluorescence end, a planar nanopore device with a glass cover can be combined with an epifluorescence microscope to enable double current amplitude and fluorescence signal detection. Figure 6A shows how such a device can be used to detect added fluorescence labeling. The nanopore device is placed under the objective lens of the epifluorescence microscope. When a nanopore measurement is performed, the microscope continues to image the nanopore region. The nanopore region is irradiated by a broad excitation source that is filtered to pass only the wavelength corresponding to the excitation spectrum of the fluorophore. A dichroic filter reflects all other wavelengths while permitting selective transmission of wavelengths corresponding to the emission spectrum of the fluorophore. When the fluorescent moiety-modified binding molecule passes through the nanopore, the fluorophore absorbs the excitation spectrum and re-emits the emission spectrum. The emission filter in front of the detector ensures that only wavelengths corresponding to the emission spectrum of the fluorescence end are detected. Therefore, the detector will only have a signal when the fluorescence end passes through the nanopore. FIG. 6B shows a top view of a nanopore device viewed under a microscope during the emission of the fluorescent tip. Figure 6C shows whether the detection of the fluorophore can be used with the signal of the nanopore. The use of two signals improves the reliability of detection of biomolecules.

일부 양태에서, 본 방법은 센서에 의해 검출되지만, 절단 가능한 링커를 사용하여 프로브에 부착되는 대상물을 가진 프로브를 사용하는 단계를 더 포함한다. 따라서 나노포어에서 서로 구별될 수 있는 프로브 세트는 표적 함유 폴리뉴클레오티드에 결합된다. 상기 프로브 세트가 나노포어에서 검출되면, 대상물이 절단되고 또한 절단 가능한 검출 대상물을 가진 새로운 세트의 프로브가 추가된다(도 7). 모든 서열 정보가 캡쳐된 표적 분자로부터 추출될 때까지 추가/절단/세척 주기는 계속될 수 있다. 프로브 검출을 돕는 분자의 예는 상기 기술된다. 절단 가능한 링커의 예는 환원성 절단 가능한 링커(TCEP에 의해 절단된 이황화 링커), 산성 절단 가능한 링커(히드라존/히드라지드 결합), 프로테아제에 의해 절단되는 아미노산 서열, 엔도뉴클레아제(부위 특이적 제한 효소)에 의해 절단되는 핵산 링커, 염기 절단 가능한 링커, 또는 광 절단 가능한 링커이다[Leriche, Geoffray, Louise Chisholm, and Alain Wagner. "Cleavable linkers in chemical biology." Bioorganic & medicinal chemistry 20, no. 2 (2012): 571-582].In some aspects, the method further comprises using a probe having an object that is detected by the sensor but is attached to the probe using a severable linker. Thus, a probe set that can be distinguished from one another in a nanopore is bound to a target containing polynucleotide. When the probe set is detected in the nanopore, a new set of probes with objects to be cut and also with detectable objects is added (Fig. 7). The add / cut / wash cycles can be continued until all the sequence information is extracted from the captured target molecule. Examples of molecules that aid in probe detection are described above. Examples of cleavable linkers include, but are not limited to, a reducing cleavable linker (a disulfide linker cleaved by TCEP), an acid cleavable linker (hydrazone / hydrazide linkage), an amino acid sequence cleaved by a protease, an endonuclease Enzymes), base-cleavable linkers, or light-cleavable linkers [Leriche, Geoffray, Louise Chisholm, and Alain Wagner. "Cleavable linkers in chemical biology." Bioorganic & medicinal chemistry 20, no. 2 (2012): 571-582].

표적 모티프Target motif

표적 서열 검출 방법이 적용되는 핵산 및 폴리펩티드에 대하여, 표적 결합 모티프는 프로브 분자에 의해 인식 가능한 뉴클레오티드 또는 펩티드 서열일 수 있다. 표적 모티프는 화학적으로 변형되거나(예를 들어, 메틸화되거나) 또는 다른 분자(예를 들어 활성화제 또는 억제제)에 의해 점유될 수도 있고, 프로브의 성질에 따라, 표적 모티프의 상태가 설명될 수 있다. 일부 양태에서, 표적 서열은 폴리뉴클레오티드에 프로브를 결합시키기 위한 화학적 변형을 포함한다. 일부 양태에서, 화학적 변형은 아세틸화, 메틸화, 서몰레이션, 글리코실화, 인산화, 비오티닐화, 및 산화로 구성된 군으로부터 선택된다. For nucleic acids and polypeptides to which the target sequence detection method is applied, the target binding motif may be a nucleotide or peptide sequence recognizable by the probe molecule. The target motif may be chemically modified (e. G., Methylated) or occupied by another molecule (e. G., An activator or inhibitor) and the state of the target motif may be described, depending on the nature of the probe. In some embodiments, the target sequence comprises a chemical modification to bind the probe to the polynucleotide. In some embodiments, the chemical modification is selected from the group consisting of acetylation, methylation, amorphization, glycosylation, phosphorylation, biotinylation, and oxidation.

프로브Probe 분자 molecule

본 기술에서, 프로브 분자는 표적-함유 폴리뉴클레오티드에 대한 결합에 의해 검출되거나 정량화된다.In the art, probe molecules are detected or quantified by binding to a target-containing polynucleotide.

본원에서 사용된 프로브는 폴리뉴클레오티드 상의 일정 부위에 특이적으로 결합할 수 있는 것으로 이해되며, 그 부위는 서열 또는 구조를 특징으로 한다. 프로브 분자의 예는 PNA(단백질 핵산), 비스-PNA, 감마-PNA, PNA의 크기 또는 전하를 증가시키는 PNA-컨쥬게이트를 포함한다. 프로브 분자의 다른 예는 천연 또는 재조합 단백질, 단백질 융합체, 단백질의 DNA 결합 도메인, 펩티드, 핵산, 올리고 뉴클레오티드, TALEN, CRISPR, PNA(단백질 핵산), 비스-PNA, 감마-PNA, 크기, 전하, 형광성, 또는 기능성을 증가시키는 PNA-컨쥬게이트(예를 들어, 라벨링된 올리고), 또는 임의의 다른 PNA 유도된 폴리머, 및 화합물로 구성된 군으로부터 선택된다.A probe used herein is understood to be capable of specifically binding to a certain site on a polynucleotide, which site is characterized by sequence or structure. Examples of probe molecules include PNA-conjugates that increase the size or charge of PNA (protein nucleic acid), bis-PNA, gamma-PNA, PNA. Other examples of probe molecules include natural or recombinant proteins, protein fusions, DNA binding domains of proteins, peptides, nucleic acids, oligonucleotides, TALEN, CRISPR, PNA (protein nucleic acid), bis-PNA, gamma-PNA, , Or a PNA-conjugate (e. G., Labeled oligo) that increases functionality, or any other PNA-derived polymer, and a compound.

일부 양태에서, 프로브는 γ-PNA를 포함한다. γ-PNA는, 구체적으로는 N-(2-아미노에틸)글리신 백본의 γ-위치에서, 펩티드-유사 백본에서의 단순한 변형을 가지므로, 키랄 중심을 생성한다(Rapireddy S., et al., 2007. J. Am. Chem. Soc., 129:15596-600; He G, et al., 2009, J. Am. Chem. Soc., 131:12088-90; Chema V, et al., 2008, Chembiochem 9:2388-91; Dragulescu-Andrasi, A., et al., 2006, J. Am. Chem. Soc., 128:10258-10267). 비스-PNA와 달리, γ-PNA는 서열 제한 없이 dsDNA에 결합할 수 있으며, 이는 두 개의 DNA 가닥 중 하나를 추가의 혼성화에 접근 가능하도록 놔둔다.In some embodiments, the probe comprises gamma-PNA. gamma -PNA has a simple modification in the peptide-like backbone, specifically at the gamma -position of the N- (2-aminoethyl) glycine backbone, thus generating a chiral center (Rapireddy S., et al. 1997, J. Am. Chem. Soc., 129: 15596-600; He G, et al., 2009, J. Am. Chem. Soc., 131: 12088-90; Chema V, et al., 2008, Chem. Soc., 128: 10258-10267). ≪ / RTI > Unlike bis-PNA, gamma-PNA can bind to dsDNA without sequence restriction, leaving one of the two DNA strands accessible to further hybridization.

일부 양태에서, 프로브의 기능은 보체 염기쌍에 의해 표적 서열을 가진 폴리뉴클레오티드에 혼성화하여 안정한 복합체를 형성하는 것이다. PNA 분자는 추가적으로 추가적인 분자에 결합되어 충분히 큰 횡단면 표면적을 가지는 복합체를 형성하여 비-프로브-결합된 폴리뉴클레오티드의 섹션에 해당하는 평균 신호 진폭인, 백그라운드를 초과하는 신호 진폭의 검출 가능한 변화 또는 대비를 생성할 수도 있다.In some embodiments, the function of the probe is to hybridize to a polynucleotide having a target sequence by a complementary base pair to form a stable complex. The PNA molecule is further coupled to additional molecules to form a complex with a sufficiently large cross-sectional surface area to provide a detectable change or contrast in signal amplitude beyond the background, which is the average signal amplitude corresponding to a section of the non-probe-bound polynucleotide .

PNA 분자에 대한 폴리뉴클레오티드 표적 서열의 결합 안정성은 나노포어 디바이스에 의해 검출되기 위해서 중요하다. 결합 안정성은 표적-함유 폴리뉴클레오티드가 나노포어를 통해 전위되는 기간에 걸쳐 유지되어야 한다. 안정성이 약하거나 불안정한 경우, 프로브는 표적 폴리뉴클레오티드로부터 분리될 수 있으며 표적-함유 폴리뉴클레오티드가 나노포어를 통해 빠져나갈 수 있기 때문에 검출되지 않을 것이다.The binding stability of the polynucleotide target sequence to the PNA molecule is important for detection by the nanopore device. Binding stability must be maintained over the period that the target-containing polynucleotide is displaced through the nanopore. If the stability is weak or unstable, the probe can be separated from the target polynucleotide and will not be detected because the target-containing polynucleotide can escape through the nanopore.

특정 구체예에서, 프로브의 예는 PNA 일부가 뉴클레오티드 서열을 특이적으로 인식하고 컨쥬게이트 일부가 다른 PNA-컨쥬게이트 간의 크기/형태/전하 차이를 증가시키는 PNA-컨쥬게이트이다.In certain embodiments, an example of a probe is a PNA-conjugate wherein a portion of the PNA specifically recognizes the nucleotide sequence and the portion of the conjugate increases the size / shape / charge difference between the different PNA-conjugates.

도 8에서 예시된 바와 같이, 리간드 A, B, C 및 D는 각각 DNA 분자 상의 부위에 특이적으로 결합하고, 이들 리간드는 너비, 길이, 크기 및/또는 전하에 의해 확인되고 서로 구별될 수 있다. 그들의 해당 부위가 각각 A, B, C 및 D로서 표시되는 경우, 리간드의 확인은 상기 DNA 서열, 부위 및 순서의 구성 측면에서, A-B-C-D의 계시로 이어진다.As illustrated in Figure 8, ligands A, B, C and D each specifically bind to a site on the DNA molecule, and these ligands can be identified by width, length, size and / or charge and distinguished from each other . When their corresponding sites are designated as A, B, C and D, respectively, confirmation of the ligand leads to the revelation of A-B-C-D in terms of the structure of the DNA sequence, site and sequence.

상이한 반응성 모이어티는 리간드에 통합되어 라벨이 컨쥬게이션될 수도 있는 화학적 핸들을 제공할 수도 있다. 반응성 모이어티의 예는 1차 아민, 카르복시산, 케톤, 아미드, 알데히드, 보론산, 히드라존, 티올, 말레이미드, 알콜, 및 히드록실기, 및 비오틴을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.Different reactive moieties may be incorporated into the ligand to provide a chemical handle to which the label may be conjugated. Examples of reactive moieties include, but are not limited to, primary amines, carboxylic acids, ketones, amides, aldehydes, boronic acids, hydrazones, thiols, maleimides, alcohols, and hydroxyl groups, and biotin.

도 9A는 리간드 전하를 증가시켜서, 나노포어에 의한 검출을 용이하게 하도록 변형된 PNA 리간드를 나타낸다. 구체적으로, PNA 분자의 염기와 표적 DNA의 염기 사이에서 상보적 염기쌍 및 후그스틴 염기쌍(Hoogsteen base pairing)에 의해 표적 DNA 서열에 결합하는, 이 리간드는, 백본에 통합된 시스테인 잔기를 가지며, 이는 라벨링용 유리 티올 화학적 핸들을 제공한다. 본원에서, 시스테인은 말레이미드 링커를 통해 펩티드 2-아미노에틸메탄티오설포네이트(MTSEA)에 라벨링되며, 이는 라벨/펩티드가 리간드의 전하를 증가시키기 때문에 리간드가 표적 서열에 결합되는지를 검출하기 위한 수단을 제공한다. 더 큰 전하는 라벨링되지 않은 PNA와 비교하여 포어를 통한 전류 흐름의 더 큰 변화를 초래한다.Figure 9A shows a modified PNA ligand to increase the ligand charge to facilitate detection by the nanopore. Specifically, this ligand, which binds to the target DNA sequence by a complementary base pair and a Hoogsteen base pairing between the base of the PNA molecule and the base of the target DNA, has a cysteine residue incorporated in the backbone, Lt; RTI ID = 0.0 > thiol < / RTI > Herein, cysteine is labeled via the maleimide linker to the peptide 2-aminoethylmethanethiosulfonate (MTSEA), which means that the label / peptide increases the charge of the ligand and therefore means for detecting whether the ligand binds to the target sequence . Larger charge results in a larger change in current flow through the pores compared to unlabeled PNAs.

일부 양태에서, 샘플에 존재하는 리간드 결합된 폴리뉴클레오티드 및 다른 백그라운드 분자 사이에서 변화의 대비를 증가시키기 위해서, 리간드(예를 들어, PNA)의 전체적인 크기를 변화시키기 위한 슈도-펩티드(pseudo-peptide) 백본에 대한 변형이 이루어져서 대비를 증가시킨다. 예를 들어, 도 9B를 참조하면, 이것은 펩티드의 N-말단 아민을 통해 펩티드(303)로의 컨쥬게이션을 가능하게 하도록 SMCC 링커(302)로 변형된, 시스테인 잔기(301)가 통합된 PNA를 나타낸다. 리간드의 라벨링을 통한 전하의 추가에 더하여(예를 들어, 도 9A에서와 같이), 비-극성 아미노산 대신에 더 많이 대전된 아미노산의 선택은 PNA의 전하를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 이에 더하여, 작은 입자, 분자, 단백질, 펩티드, 또는 폴리머(예를 들어, PEG)는 리간드 및 표적-함유 폴리뉴클레오티드 복합체의 벌크 또는 횡단면 표면적을 향상시키기 위해 슈도-펩티드 백본에 컨쥬게이션될 수 있다. 향상된 벌크는 증가된 벌크로부터 발생한 임의의 차동 신호가 쉽게 검출될 수 있도록 신호 진폭 대비를 개선하는 역할을 한다. 작은 입자, 분자, 단백질, 또는 펩티드의 예는 슈도-펩티드 백본에 컨쥬게이션될 수 있으며, 알파-나선 형성 펩티드, 나노미터(예를 들어 3 nm) 크기의 금 입자 또는 막대, 양자점, 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 분자의 컨쥬게이션 방법은 업계에, 예를 들어, 미국 특허 번호 제5,180,816호, 제6,423,685호, 제6,706,252호, 제6,884,780호, 및 제7,022,673호에 널리 공지되어 있으며, 이것은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.In some embodiments, a pseudo-peptide is used to change the overall size of the ligand (e.g., PNA) to increase the contrast of the change between the ligand-bound polynucleotide and other background molecules present in the sample. Modifications to the backbone are made to increase contrast. For example, referring to FIG. 9B, this represents a PNA incorporating a cysteine residue 301 modified with SMCC linker 302 to enable conjugation to peptide 303 via the N-terminal amine of the peptide . In addition to the addition of charge through labeling of the ligand (e.g., as in Figure 9A), the selection of a more charged amino acid instead of a non-polar amino acid may serve to increase the charge of the PNA. In addition, small particles, molecules, proteins, peptides, or polymers (e.g., PEG) can be conjugated to the pseudo-peptide backbone to enhance the bulk or cross-sectional surface area of the ligand and target-containing polynucleotide complexes. The enhanced bulk serves to improve the signal amplitude contrast so that any differential signal resulting from the increased bulk can be easily detected. Examples of small particles, molecules, proteins, or peptides can be conjugated to a pseudo-peptide backbone and include alpha-helical peptides, nanometer (e. G., 3 nm) sized gold particles or rods, quantum dots, polyethylene glycol PEG). ≪ / RTI > Methods of conjugating molecules are well known in the art, for example, in U.S. Patent Nos. 5,180,816, 6,423,685, 6,706,252, 6,884,780, and 7,022,673, the disclosure of which is incorporated herein by reference .

상기 구체예는 시스테인 잔기를 통한 PEG 라벨링을 기술하지만, 다른 잔기가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 리신 잔기는 NHS-에스터 및 유리 아민을 사용하여 연결 화학이 가능하도록 시스테인 잔기와 쉽게 교체된다. 또한, PEG는 2기능성 링커 및 PNA 사이에서 다른 벌크-부가 구성요소, 유사 덴드론(Dendrons), 비드, 또는 막대와 쉽게 교체될 수 있거나, 또는 덴드론에 직접적으로 커플링될 수 있다. 당업자는 아미노산이 교환될 수 있다는 점에서 이 시스템과 상기 특정 아미노산, 예를 들어 세린 반응성 아이소시아네이트에 대하여 변형된 연결 화학의 유연성을 인식할 것이다. 이 반응에 사용될 수 있는 연결 화학의 몇 가지 예는 하기 표에서 나열된다. While the above embodiments describe PEG labeling through cysteine residues, other residues may be used. For example, lysine residues are easily replaced with cysteine residues to enable linkage chemistry using NHS-esters and free amines. In addition, PEG can be easily replaced with other bulk-additive components, similar dendrons, beads, or rods between two functional linkers and PNAs, or can be coupled directly to a dendron. One of ordinary skill in the art will recognize the flexibility of the modified linkage chemistry for this particular system, for example serine-reactive isocyanate, in that the amino acid can be exchanged. Some examples of linking chemistries that can be used in this reaction are listed in the table below.

연결 화학Connective Chemistry 반응성 기Reactive group 표적 작용기Target functional group 아릴 아지드Aryl azide 비선택적 또는 1차 아민Non-selective or primary amine 카르보디이미드Carbodiimide 아민/카르복실Amine / carboxyl 히드라지드Hydrazide 탄수화물carbohydrate 히드록시메틸 포스핀Hydroxymethylphosphine 아민Amine 이미도에스터Imido ester 아민Amine 이소시아네이트Isocyanate 히드록실Hydroxyl 카르보닐Carbonyl 히드라진Hydrazine 말레이미드Maleimide 설피드릴(sulfhydryl)Sulfhydryl NHS-에스터NHS-ester 아민Amine PFP-에스터PFP-ester 아민Amine 소랄렌(psoralen)Psoralen 티민Thymine 피리딜 이황화Pyridyl disulfide 설피드릴Sulphate Drill 비닐 설폰Vinyl sulphone 설피드릴 아민, 히드록실Sulfhydryl amine, hydroxyl

도 3A, 3B, 4, 5, 9A, 9B 및 18A는 검출을 용이하게 하거나 두 개의 프로브가 가까이에 있는지를 검출하기 위해 프로브 크기를 증가시키거나, 에피토프를 함유하거나, ssDNA 올리고머를 함유하거나, 형광단, 추가적인 전하, 또는 추가적인 크기를 함유하도록 변형된 PNA 프로브를 나타낸다.Figures 3A, 3B, 4, 5, 9A, 9B, and 18A illustrate how to increase the size of the probe to facilitate detection or to detect if two probes are in proximity, to contain epitopes, to contain ssDNA oligomers, With the proviso that the PNA probe is modified to contain additional charge, or additional size.

상이한 반응성 모이어티는 프로브에 통합되어 라벨이 컨쥬게이션될 수도 있는 화학적 핸들을 제공할 수 있다. 반응성 모이어티의 예는 1차 아민, 카르복시산, 케톤, 아미드, 알데히드, 보론산, 히드라존, 티올, 말레이미드, 알콜, 및 히드록실기, 및 비오틴을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.Different reactive moieties may be incorporated into the probe to provide a chemical handle to which the label may be conjugated. Examples of reactive moieties include, but are not limited to, primary amines, carboxylic acids, ketones, amides, aldehydes, boronic acids, hydrazones, thiols, maleimides, alcohols, and hydroxyl groups, and biotin.

화학적 핸들을 통합시키는 일반적인 방법은 프로브의 백본에 특이적 아미노산을 포함하는 것이다. 예는 시스테인(티올레이트 제공), 리신(유리 아민 제공), 트레오닌(히드록실 제공), 글루탐산염(glutamate) 및 아스파르트산염(aspartate)(카르복시산 제공)를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.A common way to integrate chemical handles is to include specific amino acids in the backbone of the probe. Examples include, but are not limited to, cysteine (providing thiolate), lysine (providing free amine), threonine (providing hydroxyl), glutamate (glutamate) and aspartate (providing carboxylic acid).

상이한 유형의 라벨은 반응성 모이어티를 사용하여 추가될 수 있다. 이것들은 다음과 같은 라벨을 포함한다:Different types of labels may be added using reactive moieties. These include the following labels:

1. 프로브의 크기를 증가시키는 라벨, 예를 들어, 비오틴/스트렙타비딘, 펩티드, 핵산1. Labels which increase the size of the probe, for example biotin / streptavidin, peptides, nucleic acids

2. 프로브의 전하를 변화시키는 라벨, 예를 들어, 대전된 펩티드(6xHIS), 또는 단백질(예를 들어, 카리브도톡신(charybdotoxin)), 또는 작은 분자 또는 펩티드(예를 들어, MTSET)2. A label that changes the charge of the probe, e. G., A charged peptide (6xHIS), or a protein (e. G., Charybdotoxin), or a small molecule or peptide (e.

3. 프로브를 변화시키거나 프로브에 형광성을 추가하는 라벨, 예를 들어, 일반적인 형광단, FITC, 로다민(Rhodamine), Cy3, Cy5.3. Labels that change the probe or add fluorescence to the probe, for example, general fluorophore, FITC, Rhodamine, Cy3, Cy5.

4. 제3 분자에 결합하는 에피토프 또는 상호작용 부위를 제공하는 라벨, 예를 들어, 항체 결합용 펩티드.4. A label that provides an epitope or interaction site that binds to a third molecule, e. G., An antibody binding peptide.

다중화Multiplexing

일부 구체예에서, 같은 종류의 프로브를 포함하는 대신에, 상기 기술된 바와 같이, 독특한 부위 또는 표적 모티프에 각각 결합하는 상이한 프로브의 컬렉션이 첨가된다.In some embodiments, instead of including the same kind of probe, a collection of different probes, each binding to a unique site or target motif, as described above, is added.

이러한 설정으로, 다수의 상이한 프로브가 같은 표적 함유 폴리뉴클레오티드 내에서 다수의 상이한 표적 부위를 검출하는데 사용될 수 있다. 도 10은 이러한 방법을 도시한다. 본원에서, 이중-가닥 DNA(1002)는 다수의 상이한 표적 모티프, 1003의 두 개의 카피, 1004의 두 개의 카피, 및 1005의 한 개의 카피를 함유한다. With this setting, a number of different probes can be used to detect a number of different target sites within the same target containing polynucleotide. Figure 10 shows this method. Herein, double-stranded DNA (1002) contains a number of different target motifs, two copies of 1003, two copies of 1004, and one copy of 1005.

각각 독특한 전류 프로파일을 제공하는 프로브(1006, 1007, 및 1008)를 사용함으로써(예를 들어, 크기를 다르게 함으로써), 본 기술은 같은 분자 내에서 상이한 표적 모티프를 검출할 수 있으며, 표적 모티프 검출을 다중화하는 수단을 제공한다. 또한, 각각의 독특한 프로브 중 몇 개가 결합되는지를 열거함으로써, 각 표적의 수(또는 카피 수)가 결정될 수 있다. 결합에 영향을 주는 조건을 조정함으로써, 시스템은 더 상세한 결합 동적 정보를 얻을 수 있다.By using probes 1006, 1007, and 1008, each providing a unique current profile (e.g., by varying the size), the technique can detect different target motifs in the same molecule, and target motif detection And provides means for multiplexing. In addition, the number of each target (or the number of copies) can be determined by listing how many of each unique probe are combined. By adjusting the conditions that affect the coupling, the system can obtain more detailed combined dynamic information.

유사하게, 다중화는 상이한 속성을 가지고 임의의 수의 조합으로 짜맞춰진 프로브의 컬렉션을 가지고 있음으로써 달성될 수 있으며, 유일한 필요조건은 상이한 서열에 결합하는 프로브가 서로 구별 가능해야 한다는 것이다. 예를 들어, 실험은 크기로 구별 가능한 프로브 및 크기로 구별 가능한 추가적인 프로브를 사용할 수 있다(도 9A, 9B 및 19).Similarly, multiplexing can be achieved by having a collection of probes framed in any number of combinations with different attributes, and the only requirement is that the probes binding to the different sequences should be distinguishable from one another. For example, experiments can use size-distinguishable probes and additional probes that are distinguishable in size (Figures 9A, 9B, and 19).

추가적인 다중화 방법은 다른 종의 핵산의 컬렉션을 함유하는 샘플에서 정보를 얻기 위해 서로의 고정된 위치의 공지된 서열에서 폴리뉴클레오티드에 결합하는 프로브를 설계하는 단계를 수반한다. 이 방법의 예로서, 본 발명자들이 공지된 서열의 세 개의 상이한 박테리아에 대하여 수원을 테스트하는 경우, 본 발명자들은 두 개의 프로브를, 종 A에 대해서는 1000개의 염기쌍만큼 떨어져서, 종 B에 대해서는 3000 bp만큼 떨어져서, 종 C에 대해서는 5000개의 염기쌍만큼 떨어져서 위치시킬 수 있다. 1000개의 염기쌍 및 3000개의 염기쌍만큼 떨어져 있는 프로브가 검출된 경우, 종 A 및 B가 존재하지만, 종 C는 검출 가능한 정도로는 존재하지 않은 것이다. 공간을 설계하는 이 같은 방법은 또한 특정 표적 샘플에서 공지된 또는 돌연변이된 서열의 다중 검출에 사용될 수 있다.Additional multiplexing methods involve designing probes that bind to the polynucleotides in known sequences at fixed locations of one another to obtain information in a sample containing a collection of nucleic acids of different species. As an example of this method, when we tested the source against three different bacteria of known sequence, we used two probes, 1000 bp apart for species A, 3000 bp for species B, It can be spaced apart by 5000 base pairs for species C. When probes 1000 base pairs and 3000 base pairs apart are detected, species A and B are present, but species C is not detectably present. Such a method of designing space can also be used for multiple detection of known or mutated sequences in a particular target sample.

나노포어Nanopore 디바이스device

나노포어 디바이스는, 제공된 바와 같이, 디바이스의 내부 공간을 두 개의 부피로 분리하는 구조에서 개구부를 형성하는 포어를 포함하고, 예를 들어, 센서를 이용하여 포어를 통과하는 물체를 확인하도록(예를 들어, 물체를 나타내는 파라미터의 변화를 검출함으로써) 구성된다. 본원에서 기술된 방법에 사용된 나노포어 디바이스는 또한 PCT 공보 제WO/2013/012881호에서 개시되며, 그 전문이 참고로서 본원에 포함된다.A nanopore device includes a pore that defines an opening in a structure that separates the interior space of the device into two volumes, as provided, for example, to identify an object passing through the pore using a sensor For example, by detecting a change in a parameter indicative of an object). The nanopore devices used in the methods described herein are also disclosed in PCT Publication WO / 2013/012881, the full text of which is incorporated herein by reference.

나노포어 디바이스에서 포어(들)는 나노 스케일 또는 마이크로 스케일이다. 한 양태에서, 각각의 포어는 작거나 큰 분자 또는 미생물을 통과시키는 크기를 가진다. 한 양태에서, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 1 nm이다. 또는, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 11 nm, 12 nm, 13 nm, 14 nm, 15 nm, 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 또는 100 nm이다. In a nanopore device, the pore (s) are nanoscale or microscale. In one embodiment, each pore has a size to pass small or large molecules or microorganisms. In one embodiment, each pore is at least about 1 nm in diameter. Alternatively, each pore may have a diameter of at least about 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 11 nm, 12 nm, nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, or 100 nm to be.

한 양태에서, 포어는 직경이 약 100 nm 이하이다. 또는, 포어는 직경이 약 95 nm, 90 nm, 85 nm, 80 nm, 75 nm, 70 nm, 65 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, 40 nm, 35 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm, 15 nm, 또는 10 nm 이하이다.In one embodiment, the pores are about 100 nm or less in diameter. Alternatively, the pore may have a diameter of about 95 nm, 90 nm, 85 nm, 80 nm, 75 nm, 70 nm, 65 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, nm, 20 nm, 15 nm, or 10 nm or less.

일부 양태에서, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 100 nm, 200 nm, 500 nm, 1000 nm, 2000 nm, 3000 nm, 5000 nm, 10000 nm, 20000 nm, 또는 30000 nm이다. 한 양태에서, 포어는 직경이 약 100000 nm 이하이다. 또는, 포어는 직경이 약 50000 nm, 40000 nm, 30000 nm, 20000 nm, 10000 nm, 9000 nm, 8000 nm, 7000 nm, 6000 nm, 5000 nm, 4000 nm, 3000 nm, 2000 nm, 또는 1000 nm 이하이다.In some embodiments, each pore has a diameter of at least about 100 nm, 200 nm, 500 nm, 1000 nm, 2000 nm, 3000 nm, 5000 nm, 10000 nm, 20000 nm, or 30000 nm. In one embodiment, the pores are about 100,000 nm or less in diameter. Alternatively, the pores may have a diameter of about 50000 nm, 40000 nm, 30000 nm, 20000 nm, 10000 nm, 9000 nm, 8000 nm, 7000 nm, 6000 nm, 5000 nm, 4000 nm, 3000 nm, 2000 nm, to be.

한 양태에서, 포어는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 2 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 3 nm 내지 약 70 nm, 또는 약 4 nm 내지 약 60 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 50 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 30 nm인 직경을 가진다.In one embodiment, the pore is at least about 1 nm to about 100 nm, or about 2 nm to about 80 nm, or about 3 nm to about 70 nm, or about 4 nm to about 60 nm, or about 5 nm to about 50 nm, Or from about 10 nm to about 40 nm, or from about 15 nm to about 30 nm.

일부 양태에서, 나노포어 디바이스에서 포어(들)는 큰 미생물 또는 세포를 검출하기 위해 더 큰 스케일로 되어 있다. 한 양태에서, 각각의 포어는 큰 세포 또는 미생물을 통과시키는 크기를 가진다. 한 양태에서, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 100 nm이다. 또는, 각 포어는 직경이 적어도 약 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm, 1000 nm, 1100 nm, 1200 nm, 1300 nm, 1400 nm, 1500 nm, 1600 nm, 1700 nm, 1800 nm, 1900 nm, 2000 nm, 2500 nm, 3000 nm, 3500 nm, 4000 nm, 4500 nm, 또는 5000 nm이다.In some embodiments, the pore (s) in the nanopore device are on a larger scale to detect large microorganisms or cells. In one embodiment, each pore has a size to pass large cells or microorganisms. In one embodiment, each pore is at least about 100 nm in diameter. Alternatively, each pore may have a diameter of at least about 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm, 1000 nm, 1100 nm, 1200 nm, 1300 nm, , 1600 nm, 1700 nm, 1800 nm, 1900 nm, 2000 nm, 2500 nm, 3000 nm, 3500 nm, 4000 nm, 4500 nm, or 5000 nm.

한 양태에서, 포어는 직경이 약 100,000 nm 이하이다. 또는, 포어는 직경이 약 90,000 nm, 80,000 nm, 70,000 nm, 60,000 nm, 50,000 nm, 40,000 nm, 30,000 nm, 20,000 nm, 10,000 nm, 9000 nm, 8000 nm, 7000 nm, 6000 nm, 5000 nm, 4000 nm, 3000 nm, 2000 nm, 또는 1000 nm 이하이다.In one embodiment, the pore is about 100,000 nm or less in diameter. Alternatively, the pore may have a diameter of about 90,000 nm, 80,000 nm, 70,000 nm, 60,000 nm, 50,000 nm, 40,000 nm, 30,000 nm, 20,000 nm, 10,000 nm, 9000 nm, 8000 nm, 7000 nm, 6000 nm, nm, 3000 nm, 2000 nm, or 1000 nm or less.

한 양태에서, 포어는 약 100 nm 내지 약 10000 nm, 또는 약 200 nm 내지 약 9000 nm, 또는 약 300 nm 내지 약 8000 nm, 또는 약 400 nm 내지 약 7000 nm, 또는 약 500 nm 내지 약 6000 nm, 또는 약 1000 nm 내지 약 5000 nm, 또는 약 1500 nm 내지 약 3000 nm인 직경을 가진다.In one embodiment, the pores have a refractive index of from about 100 nm to about 10000 nm, or from about 200 nm to about 9000 nm, or from about 300 nm to about 8000 nm, or from about 400 nm to about 7000 nm, or from about 500 nm to about 6000 nm, Or from about 1000 nm to about 5000 nm, or from about 1500 nm to about 3000 nm.

일부 양태에서, 나노포어 디바이스는 포어를 가로질러 폴리머 스캐폴드를 이동시키는 수단 및/또는 포어를 통과하는 물체를 확인하는 수단을 더 포함한다. 더 상세한 설명은 하기 제공되며, 2-포어 디바이스의 맥락에서 기술된다.In some embodiments, the nanopore device further comprises means for moving the polymer scaffold across the pore and / or means for identifying an object passing through the pore. A more detailed description is provided below and is described in the context of a two-for-device.

단일-포어 나노포어 디바이스와 비교하여, 2-포어 디바이스는 포어를 가로질러 폴리머 스캐폴드의 이동 속도 및 방향의 양호한 제어를 제공하도록 더 쉽게 구성될 수 있다.Compared to a single-fornone nanopore device, a two-forer device can be more easily configured to provide good control of the speed and direction of movement of the polymer scaffold across the pore.

특정 구체예에서, 나노포어 디바이스는 복수의 챔버를 포함하며, 각각의 챔버는 적어도 하나의 포어를 통해 인접한 챔버와 교류한다. 이들 포어 중에서, 두 개의 포어, 즉 제1 포어 및 제2 포어는, 폴리머 스캐폴드의 적어도 일부가 제1 포어 밖으로 및 제2 포어로 이동하도록 배치된다. 또한, 디바이스는 이동 중에 폴리머 스캐폴드를 확인할 수 있는 센서를 포함한다. 한 양태에서, 이러한 확인은 폴리머 스캐폴드의 개개의 구성요소를 확인하는 단계를 수반한다. 또다른 양태에서, 상기 확인은 폴리머 스캐폴드에 결합된 융합 분자 및/또는 표적 피분석물을 확인하는 단계를 포함한다. 단일 센서가 이용될 때, 단일 센서는 포어를 가로질러 이온 전류를 측정하기 위해 포어의 양 단부에 배치된 두 개의 전극을 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 단일 센서는 전극 이외의 구성요소를 포함한다. In certain embodiments, the nanopore device includes a plurality of chambers, each chamber interchanging with an adjacent chamber through at least one pore. Of these pores, the two pores, the first pore and the second pore, are arranged such that at least a portion of the polymer scaffold moves out of the first pore and into the second pore. The device also includes a sensor that can identify the polymer scaffold on the move. In one embodiment, such confirmation entails identifying individual components of the polymer scaffold. In another embodiment, the confirmation comprises identifying the fusion molecule and / or the target analyte bound to the polymer scaffold. When a single sensor is used, a single sensor may include two electrodes disposed at both ends of the pore to measure the ion current across the pore. In yet another embodiment, a single sensor includes components other than electrodes.

한 양태에서, 디바이스는 두 개의 포어를 통해 연결된 세 개의 챔버를 포함한다. 세 개 이상의 챔버를 구비한 디바이스는 3-챔버 디바이스의 양 측면에, 또는 세 개의 챔버 중 임의의 두 개 사이에 하나 이상의 추가적인 챔버를 포함하도록 쉽게 설계될 수 있다. 유사하게, 챔버를 연결하기 위해서 둘 이상의 포어가 디바이스 내에 포함될 수 있다.In one aspect, the device includes three chambers connected through two pores. A device with three or more chambers can be easily designed to include one or more additional chambers on either side of the three-chamber device, or between any two of the three chambers. Similarly, two or more pores may be included in the device to connect the chambers.

한 양태에서, 다수의 폴리머 스캐폴드가 한 챔버에서 그 다음 챔버로 동시에 이동하도록 두 개의 인접한 챔버 사이에는 두 개 이상의 포어가 존재할 수 있다. 이러한 다중 포어 설계는 디바이스에서 폴리머 스캐폴드 분석의 처리량을 향상시킬 수 있다.In an embodiment, there may be more than one pore between two adjacent chambers such that multiple polymer scaffolds move simultaneously from one chamber to the next. This multi-pore design can improve the throughput of polymer scaffold analysis in the device.

일부 양태에서, 디바이스는 폴리머 스캐폴드를 한 챔버에서 또 다른 챔버로 이동시키는 수단을 더 포함한다. 한 양태에서, 이러한 이동은 제1 포어 및 제2 포어 둘 다를 동시에 가로질러 폴리머 스캐폴드의 로딩으로 이어진다. 또 다른 양태에서, 상기 수단은 두 개의 포어를 통해, 같은 방향으로, 폴리머 스캐폴드의 이동을 또한 가능하게 한다.In some embodiments, the device further comprises means for moving the polymer scaffold from one chamber to another. In one embodiment, this movement leads to loading of the polymer scaffolds simultaneously across both the first pore and the second pore. In another embodiment, the means also enable movement of the polymer scaffold in the same direction through the two pores.

예를 들어, 3-챔버 2-포어 디바이스("2-포어" 디바이스)에서, 각각의 챔버는 별도의 전압이 챔버 사이에서 각각의 포어를 가로질러 인가될 수 있도록 전력 공급 장치에 연결하기 위한 전극을 함유할 수 있다.For example, in a three-chamber two-fored device (a "two-pour" device), each chamber may have electrodes ≪ / RTI >

본 개시물의 구체예에 따라, 상부 챔버, 중간 챔버 및 하부 챔버를 포함하는 디바이스가 제공되며, 상부 챔버는 제1 포어를 통해 중간 챔버와 교류하고, 중간 챔버는 제2 포어를 통해 하부 챔버와 교류한다. 이러한 디바이스는 이중-포어 디바이스(Dual-Pore Device)라는 제목의 미국 공개 번호 제2013-0233709호에서 앞서 개시된 차원 또는 다른 특성들 중 어느 것도 가질 수 있으며, 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.According to an embodiment of the present disclosure, there is provided a device comprising an upper chamber, an intermediate chamber and a lower chamber, wherein the upper chamber communicates with the intermediate chamber via a first pore, the intermediate chamber communicates with the lower chamber via the second pore, do. Such a device may have any of the dimensions or other features previously disclosed in U. S. Publication No. 2013-0233709 entitled " Dual-Pore Device ", which is incorporated herein by reference in its entirety.

도 7A에서 제시된 바와 같이 일부 구체예에서는, 디바이스가 상부 챔버 (705)(챔버 A), 중간 챔버(704)(챔버 B), 및 하부 챔버(703)(챔버 C)를 포함한다. 챔버들은 두 개의 분리 층 또는 막(701 및 702)에 의해 분리되며 각각은 별도의 포어(711 또는 712)를 가진다. 또한, 각각의 챔버는 전력 공급장치에 연결하기 위한 전극(721, 722 또는 723)을 함유한다. 상부, 중간 및 하부 챔버의 주석은 상대적인 측면에서의 주석이고, 예를 들어, 상부 챔버가 지면에 대해서 중간 또는 하부 챔버보다 위에 배치되거나, 또는 그 반대를 나타내는 것은 아니다.In some embodiments, as shown in Figure 7A, the device includes an upper chamber 705 (chamber A), an intermediate chamber 704 (chamber B), and a lower chamber 703 (chamber C). The chambers are separated by two separation layers or membranes 701 and 702, each having a separate pore 711 or 712. In addition, each chamber contains electrodes 721, 722 or 723 for connection to a power supply. The tin in the upper, middle and lower chambers is a tin in the relative aspect, for example the upper chamber does not lie above the middle or lower chamber relative to the ground, or vice versa.

각각의 포어(711 및 712)는 독립적으로 작거나 큰 분자 또는 미생물이 통과하는 크기를 가진다. 한 양태에서, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 1 nm이다. 또는, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 11 nm, 12 nm, 13 nm, 14 nm, 15 nm, 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 또는 100 nm이다.Each of the pores 711 and 712 independently has a size such that small or large molecules or microorganisms pass through it. In one embodiment, each pore is at least about 1 nm in diameter. Alternatively, each pore may have a diameter of at least about 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 11 nm, 12 nm, , 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, .

한 양태에서, 포어는 직경이 약 100 nm 이하이다. 또는, 포어는 직경이 약 95 nm, 90 nm, 85 nm, 80 nm, 75 nm, 70 nm, 65 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, 40 nm, 35 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm, 15 nm, 또는 10 nm 이하이다. In one embodiment, the pores are about 100 nm or less in diameter. Alternatively, the pore may have a diameter of about 95 nm, 90 nm, 85 nm, 80 nm, 75 nm, 70 nm, 65 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, nm, 20 nm, 15 nm, or 10 nm or less.

한 양태에서, 포어는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 2 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 3 nm 내지 약 70 nm, 또는 약 4 nm 내지 약 60 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 50 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 30 nm인 직경을 가진다.In one embodiment, the pore is at least about 1 nm to about 100 nm, or about 2 nm to about 80 nm, or about 3 nm to about 70 nm, or about 4 nm to about 60 nm, or about 5 nm to about 50 nm, Or from about 10 nm to about 40 nm, or from about 15 nm to about 30 nm.

다른 양태에서, 각각의 포어는 직경이 적어도 약 100 nm, 200 nm, 500 nm, 1000 nm, 2000 nm, 3000 nm, 5000 nm, 10000 nm, 20000 nm, 또는 30000 nm이다. 한 양태에서, 각각의 포어는 직경이 50,000 nm 내지 100,000 nm이다. 한 양태에서, 포어는 직경이 약 100000 nm 이하이다. 또는, 포어는 직경이 약 50000 nm, 40000 nm, 30000 nm, 20000 nm, 10000 nm, 9000 nm, 8000 nm, 7000 nm, 6000 nm, 5000 nm, 4000 nm, 3000 nm, 2000 nm, 또는 1000 nm 이하이다. In another embodiment, each pore has a diameter of at least about 100 nm, 200 nm, 500 nm, 1000 nm, 2000 nm, 3000 nm, 5000 nm, 10000 nm, 20000 nm, or 30000 nm. In one embodiment, each pore has a diameter of 50,000 nm to 100,000 nm. In one embodiment, the pores are about 100,000 nm or less in diameter. Alternatively, the pores may have a diameter of about 50000 nm, 40000 nm, 30000 nm, 20000 nm, 10000 nm, 9000 nm, 8000 nm, 7000 nm, 6000 nm, 5000 nm, 4000 nm, 3000 nm, 2000 nm, to be.

일부 양태에서, 포어는 실질적으로 둥근 형태를 가진다. 본원에서 사용된 용어 "실질적으로 둥근"은 형태의 적어도 약 80 또는 90%가 원형인 형태를 말한다. 일부 구체예에서, 포어는 형태가 사각형, 직사각형, 삼각형, 타원형, 또는 육각형이다.In some embodiments, the pores have a substantially rounded shape. The term "substantially round" as used herein refers to a form in which at least about 80 or 90% of the shapes are circular. In some embodiments, the pores are rectangular, rectangular, triangular, elliptical, or hexagonal in shape.

각각의 포어(711 및 712)는 독립적으로 깊이(즉, 두 개의 인접한 부피 사이에서 연장되는 포어의 길이)를 가진다. 한 양태에서, 각각의 포어는 적어도 약 0.3 nm인 깊이를 가진다. 또는, 각각의 포어는 적어도 약 0.6 nm, 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 11 nm, 12 nm, 13 nm, 14 nm, 15 nm, 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 또는 90 nm인 깊이를 가진다. Each of the pores 711 and 712 independently has a depth (i.e., the length of the pore extending between two adjacent volumes). In one embodiment, each pore has a depth of at least about 0.3 nm. Alternatively, each pore may be at least about 0.6 nm, 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 14 nm, 15 nm, 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, nm. < / RTI >

한 양태에서, 각각의 포어는 약 100 nm 이하인 깊이를 가진다. 또는, 상기 깊이는 약 95 nm, 90 nm, 85 nm, 80 nm, 75 nm, 70 nm, 65 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, 40 nm, 35 nm, 30 nm, 25 nm, 20 nm, 15 nm, 또는 10 nm 이하이다. In one embodiment, each pore has a depth of about 100 nm or less. Alternatively, the depth may be about 95 nm, 90 nm, 85 nm, 80 nm, 75 nm, 70 nm, 65 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, 40 nm, , 20 nm, 15 nm, or 10 nm or less.

한 양태에서, 포어는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 2 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 3 nm 내지 약 70 nm, 또는 약 4 nm 내지 약 60 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 50 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 30 nm인 깊이를 가진다.In one embodiment, the pore is at least about 1 nm to about 100 nm, or about 2 nm to about 80 nm, or about 3 nm to about 70 nm, or about 4 nm to about 60 nm, or about 5 nm to about 50 nm, Or from about 10 nm to about 40 nm, or from about 15 nm to about 30 nm.

일부 양태에서, 나노포어는 막을 통해 연장된다. 예를 들어, 포어는 지질 이중층 막에 삽입된 단백질 채널일 수도 있거나 또는 드릴링, 에칭에 의해, 또는 고체-상태 기판, 예컨대 이산화규소, 질화규소, 그래핀, 또는 이들 또는 다른 물질들의 조합으로 형성된 층을 통해 포어를 형성함으로써 조작될 수도 있다. 일부 양태에서, 나노포어의 길이 또는 깊이는 두 개의 별도의 부피를 연결하는 채널을 형성하기 위해서 충분히 크다. 일부 양태에서, 각각의 포어의 깊이는 100 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 또는 900 nm 보다 깊다. 일부 양태에서, 각각의 포어의 깊이는 2000 nm 또는 1000 nm 이하이다.In some embodiments, the nanopore extends through the membrane. For example, a pore may be a protein channel inserted into a lipid bilayer membrane or it may be a protein channel inserted into a lipid bilayer membrane or by a layer formed by drilling, etching, or a solid-state substrate such as silicon dioxide, silicon nitride, graphene, Lt; RTI ID = 0.0 > pores. ≪ / RTI > In some embodiments, the length or depth of the nanopore is large enough to form a channel connecting two separate volumes. In some embodiments, the depth of each pore is greater than 100 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, or 900 nm. In some embodiments, the depth of each pore is 2000 nm or 1000 nm or less.

한 양태에서, 포어는 약 10 nm 내지 약 1000 nm 사이의 거리만큼 이격되어 있다. 일부 양태에서, 포어 간 거리는 1000 nm, 2000 nm, 3000 nm, 4000 nm, 5000 nm, 6000 nm, 7000 nm, 8000 nm, 또는 9000 nm 보다 길다. 일부 양태에서, 포어는 30000 nm, 20000 nm, 또는 10000 nm 이하 만큼 이격되어 있다. 한 양태에서, 상기 거리는 적어도 약 10 nm, 또는 적어도 약 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm, 250 nm, 또는 300 nm이다. 또 다른 양태에서, 상기 거리는 약 1000 nm, 900 nm, 800 nm, 700 nm, 600 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 또는 100 nm 이하이다. In one embodiment, the pores are spaced apart by a distance between about 10 nm and about 1000 nm. In some embodiments, the inter-fore distance is longer than 1000 nm, 2000 nm, 3000 nm, 4000 nm, 5000 nm, 6000 nm, 7000 nm, 8000 nm, or 9000 nm. In some embodiments, the pores are spaced apart by 30000 nm, 20000 nm, or 10000 nm or less. In one embodiment, the distance is at least about 10 nm, or at least about 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm, Or 300 nm. In yet another embodiment, the distance is about 1000 nm, 900 nm, 800 nm, 700 nm, 600 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, or 100 nm or less.

또 다른 양태에서, 포어 간 거리는 약 20 nm 내지 약 800 nm, 약 30 nm 내지 약 700 nm, 약 40 nm 내지 약 500 nm, 또는 약 50 nm 내지 약 300 nm이다.In another embodiment, the interforate distance is from about 20 nm to about 800 nm, from about 30 nm to about 700 nm, from about 40 nm to about 500 nm, or from about 50 nm to about 300 nm.

두 개의 포어는 포어가 챔버 간 유체 교류를 허용하고 규정된 크기 및 포어 간의 거리를 갖는 한 임의의 위치에 배열될 수 있다. 한 양태에서, 포어는 상호 간에 직접적인 차단이 없도록 배치된다. 한 양태에서는, 도 7A에서 도시된 바와 같이, 포어가 실질적으로 같은 축에 있다.The two pores may be arranged at any position as long as the pores allow fluid flow between the chambers and have a defined size and distance between the pores. In one embodiment, the pores are arranged such that there is no direct interdiction between them. In one aspect, as shown in Figure 7A, the pores are substantially in the same axis.

한 양태에서, 도 7A에서 나타난 바와 같이, 디바이스는, 챔버(703, 704, 및 705)의 전극(721, 722, 및 723)을 통과하여, 하나 이상의 전력 공급장치에 연결된다. 일부 양태에서, 전력 공급장치는 전압-클램프 또는 패치-클램프를 포함하며, 이것들은 각각의 포어를 가로질러 전압을 공급하고 각각의 포어를 통해 독립적으로 전류를 측정할 수 있다. 이 양태에서, 전력 공급장치 및 전극 구성은 중간 챔버를 두 전력 공급장치에 대한 공통 접지로 설정할 수 있다. 한 양태에서, 전력 공급장치 또는 공급장치들은 상부 챔버(705)(챔버 A)와 중간 챔버(704)(챔버 B) 사이에서 제1 전압(V1), 및 중간 챔버(704) 및 하부 챔버 703(챔버 C) 사이에서 제2 전압(V2)을 인가하도록 구성된다.In one aspect, as shown in FIG. 7A, the device is connected to one or more power supplies through electrodes 721, 722, and 723 of chambers 703, 704, and 705. In some aspects, the power supply includes a voltage-clamp or a patch-clamp, which can supply voltage across each pore and measure current independently through each pore. In this aspect, the power supply and the electrode configuration can set the intermediate chamber to a common ground for both power supplies. In one aspect, the power supply or supplies include a first voltage V 1 between the upper chamber 705 (chamber A) and the intermediate chamber 704 (chamber B), and a first voltage V 1 between the intermediate chamber 704 and the lower chamber 703 It is configured to apply a second voltage (V 2) between (chamber C).

일부 양태에서, 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)는 독립적으로 조정 가능하다. 한 양태에서, 중간 챔버는 두 개의 전압에 대한 접지인 것으로 조정된다. 한 양태에서, 중간 챔버는 중간 챔버의 각각의 포어 및 전극 사이에서 전도도를 제공하기 위한 매질을 포함한다. 한 양태에서, 중간 챔버는 중간 챔버의 각각의 포어 및 전극 사이에서 저항을 제공하기 위한 매질을 포함한다. 이러한 저항을 나노포어 저항에 비해 충분히 작게 유지하는 것은 포어를 가로질러 두 개의 전압 및 전류를 분리시키는데 유용하며, 이는 전압의 독립적인 조정에 도움이 된다.In some aspects, the first voltage (V 1 ) and the second voltage (V 2 ) are independently adjustable. In one embodiment, the intermediate chamber is adjusted to be ground for two voltages. In one embodiment, the intermediate chamber includes a medium for providing conductivity between each pore and an electrode of the intermediate chamber. In one embodiment, the intermediate chamber includes a medium for providing a resistance between each pore and an electrode of the intermediate chamber. Keeping this resistance small enough compared to the nanopore resistance is useful for isolating the two voltages and currents across the pores, which helps in independent adjustment of the voltage.

전압의 조정은 챔버에서 대전된 입자의 이동을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 전압이 같은 극성으로 설정될 때, 적절히 대전된 입자는 순차적으로 상부 챔버에서 중간 챔버로 그리고 하부 챔버로, 또는 그 반대로 이동될 수 있다. 일부 양태에서, 두 전압이 반대 극성으로 설정될 때, 대전된 입자는 상부 또는 하부 챔버에서 중간 챔버로 이동되어 거기에 머물 수 있다.Adjustment of the voltage can be used to control the movement of the charged particles in the chamber. For example, when the two voltages are set to the same polarity, appropriately charged particles can be sequentially moved from the upper chamber to the intermediate chamber and back to the lower chamber, or vice versa. In some embodiments, when the two voltages are set to the opposite polarity, the charged particles may move to and remain in the intermediate chamber from the upper or lower chamber.

디바이스에서 전압의 조정은 두 개의 포어를 동시에 교차할 정도로 충분히 긴 큰 분자, 예컨대 대전된 폴리머 스캐폴드의 이동을 제어하는데 특히 유용할 수 있다. 이러한 양태에서, 분자의 이동 방향 및 속도는 하기 기술된 바와 같이 전압의 상대적 규모 및 극성에 의해 제어될 수 있다. Adjustment of the voltage in the device can be particularly useful for controlling the movement of large molecules, e.g., charged polymer scaffolds, long enough to cross two pores simultaneously. In such an embodiment, the direction and speed of movement of the molecules can be controlled by the relative magnitude and polarity of the voltage as described below.

디바이스는 액체 샘플, 특히 생물학적 샘플, 및/또는 나노제조에 적합한 물질을 보유하기에 적합한 물질을 함유할 수 있다. 한 양태에서, 이러한 물질은 유전체 물질, 예컨대 규소, 질화규소, 이산화규소, 그래핀, 탄소 나노튜브, TiO2, HfO2, Al2O3, 또는 다른 금속 층, 또는 이 물질들의 임의의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 양태에서, 예를 들어, 약 0.3 nm 두께의 그래핀 막의 단일 시트는 포어-함유 막으로서 사용될 수 있다.The device may contain a liquid sample, in particular a biological sample, and / or a material suitable for holding a material suitable for nanofabrication. In one embodiment, this material includes a dielectric material, such as silicon, silicon nitride, silicon dioxide, graphene, carbon nanotubes, TiO 2, HfO 2, Al 2 O 3, or other metal layer, or any combination of these materials However, it is not limited thereto. In some embodiments, for example, a single sheet of about 0.3 nm thick graphene film can be used as the pore-containing film.

미세유체이고 2-포어 미세유체 칩 구현체를 수용하는 디바이스는 다양한 수단 및 방법에 의해 제조될 수 있다. 두 개의 평행한 막으로 구성된 미세유체 칩에 대하여, 두 개의 막은 단일 빔에 의해 동시에 드릴링되어 두 개의 동심형 포어를 형성할 수 있지만, 임의의 적합한 정렬 기술과 협력하여 막의 각 측면에서 다른 빔을 사용하는 것이 또한 가능하다. 일반적으로, 하우징(housing)은 챔버 A-C의 밀봉된 분리를 보장한다. 도 7B에서 나타난 바와 같은 한 양태에서, 하우징은 전압 전극(721, 722, 및 723)과 나노포어(711 및 712) 사이에서 최소한의 접근 저항성을 제공하여, 각각의 전압이 원칙적으로는 각각의 포어를 가로질러 인가된다는 것을 보장할 것이다.Devices that are microfluidic and contain two-pore microfluidic chip implementations can be fabricated by a variety of means and methods. For a microfluidic chip composed of two parallel membranes, the two membranes can be simultaneously drilled by a single beam to form two concentric pores, but in cooperation with any suitable alignment technique, different beams are used on each side of the membrane It is also possible to do. Generally, the housing ensures the sealed separation of chambers A-C. 7B, the housing provides minimal access resistance between the voltage electrodes 721, 722, and 723 and the nanopores 711 and 712 so that each voltage is, in principle, Lt; / RTI >

한 양태에서, 디바이스는 스페이서로 연결된 두 개의 평행한 막으로 구성된 미세유체 칩("이중-코어 칩"으로 라벨링됨)을 포함한다. 각각의 막은 막의 중심을 통해 단일 빔으로 드릴링된 포어를 함유한다. 또한, 디바이스는 바람직하게는 칩용 Teflon® 하우징을 가진다. 하우징은 챔버 A-C의 밀봉된 분리를 보장하고 전극에 대하여 최소한의 접근 저항성을 제공하여 각각의 전압이 원칙적으로는 각각의 포어를 가로질러 인가된다는 것을 보장한다.In one aspect, the device comprises a microfluidic chip (labeled as "dual-core chip") consisting of two parallel films connected by a spacer. Each membrane contains a pore drilled into a single beam through the center of the membrane. The device also preferably has a Teflon (R) housing for the chip. The housing ensures a sealed separation of chambers A-C and provides a minimum access resistance to the electrodes, ensuring that each voltage is in principle applied across each pore.

더 구체적으로는, 포어-함유 막은 5-100 nm 두께의 규소, 질화규소, 또는 이산화규소 창을 구비한 투과 전자 현미경(TEM) 그리드로 제조될 수 있다. 스페이서는 절연체, 예컨대 SU-8, 포토레지스트(photoresist), PECVD 옥시드, ALD 옥시드, ALD 알루미나, 또는 증착된 금속 물질, 예컨대 Ag, Au, 또는 Pt를 사용하여, 그리고 막 사이에서 챔버 B의 수성 부분 외의 작은 부피를 점유하여 막을 분리시키는데 사용될 수 있다. 홀더는 챔버 B의 가장 큰 용적을 차지하는 수성 조에 배치된다. 챔버 A 및 C는 막 밀봉을 야기하는 더 큰 직경 채널(접근 저항성이 적음)에 의해 접근 가능하다.More specifically, the pore-containing film may be fabricated with a transmission electron microscope (TEM) grid having a silicon, silicon nitride, or silicon dioxide window of 5-100 nm thickness. The spacers may be formed using an insulator, such as SU-8, photoresist, PECVD oxide, ALD oxide, ALD alumina, or a deposited metal material such as Ag, Au, or Pt, Can be used to separate the membrane by occupying a small volume outside the aqueous portion. The holder is disposed in an aqueous bath which occupies the largest volume of chamber B. Chambers A and C are accessible by a larger diameter channel (less approach resistance) that causes film seals.

집속 전자 또는 이온 빔은 막을 통해 포어를 드릴링하여, 자연적으로 포어를 정렬시키는데 사용될 수 있다. 포어는 또한 각각의 층에 집속된 정확한 빔을 적용함으로써 더 작은 크기로 제조될 수 있다(축소될 수 있다). 임의의 단일 나노포어 드릴링 방법은 또한 막의 두께 및 주어진 방법에 대하여 가능한 드릴 깊이를 고려하여, 두 개의 막에서 포어의 쌍을 드릴링하는데 사용될 수 있다. 미리 정해진 깊이로 마이크로-포어를 사전 드릴링 한 후 막의 나머지를 통해 나노포어를 사전 드릴링 함으로써, 또한 막 두께를 더 개선하는 것이 가능하다.Focused electrons or ion beams can be used to naturally align the pores by drilling the pores through the membrane. The pores can also be made smaller in size by applying the correct beam focused on each layer. Any single nanofoam drilling method can also be used to drill pairs of pores in two membranes, taking into account the thickness of the membrane and possible drill depths for a given method. It is also possible to further improve the film thickness by pre-drilling the micro-pores to a predetermined depth and then pre-drilling the nanopores through the remainder of the film.

또 다른 양태에서, 하이브리드 포어를 형성하기 위해 고체-상태 나노포어로의 생물학적 나노포어의 삽입은 2-포어 방법에서 하나 또는 두 개의 포어에 사용될 수 있다. 생물학적 포어는 이온 전류 측정의 민감도를 증가시킬 수 있고, 예를 들어, 시퀀싱을 위해, 단지 단일 가닥 폴리뉴클레오티드가 2-포어 디바이스에서 캡쳐되고 제어되어야 할 때 유용하다.In another embodiment, the insertion of biological nanopores into a solid-state nanopore to form a hybrid pore can be used in one or two pores in a two-pore method. Biological pores can increase the sensitivity of ionic current measurements and are useful, for example, for sequencing, when only single-stranded polynucleotides need to be captured and controlled in a two-for-all device.

디바이스의 포어에 존재하는 전압에 의해서, 대전된 분자는 챔버 사이의 포어를 통해 이동될 수 있다. 이동 속도 및 방향은 전압의 규모 및 극성에 의해 제어될 수 있다. 또한, 두 전압 각각이 독립적으로 조정될 수 있기 때문에, 대전된 분자의 이동 방향 및 속도는 각 챔버에서 정교하게 제어될 수 있다.By the voltage present in the pores of the device, the charged molecules can be moved through the pores between the chambers. The moving speed and direction can be controlled by the magnitude and polarity of the voltage. Also, since each of the two voltages can be independently adjusted, the direction and speed of movement of charged molecules can be precisely controlled in each chamber.

한 예는 두 개의 포어의 깊이 및 두 개의 포어 간의 거리를 포함하는 조합된 거리보다 더 긴 길이를 가지는 대전된 폴리머 스캐폴드, 예컨대 DNA에 관한 것이다. 예를 들어, dsDNA에 의한 길이는 약 340 nm이고, 이는 20 nm로 격리된 두 개의 10 nm-깊이 포어에 걸친 40 nm보다 실질적으로 더 길다. 첫 번째 단계에서, 폴리뉴클레오티드는 상부 또는 하부 챔버에 로딩된다. 약 7.4의 pH의 생리학적 조건 하에서 음전하에 의해서, 폴리뉴클레오티드는 전압이 인가되는 포어를 가로질러 이동될 수 있다. 그러므로, 두 번째 단계에서, 같은 극성으로 및 같거나 유사한 규모로 두 개의 전압이 포어에 인가되어 순차적으로 두 개의 포어를 가로질러 폴리뉴클레오티드를 이동시킨다.One example relates to a charged polymer scaffold, such as DNA, having a length that is longer than the combined distance comprising the depth of the two pores and the distance between the two pores. For example, the length by dsDNA is about 340 nm, which is substantially longer than 40 nm across two 10 nm-deep pores isolated at 20 nm. In the first step, the polynucleotide is loaded into the upper or lower chamber. By negative charge under physiological conditions at a pH of about 7.4, the polynucleotide can be moved across the pores to which the voltage is applied. Thus, in the second step, two voltages are applied to the pores at the same polarity and on the same or similar scale to sequentially move the polynucleotides across the two pores.

폴리뉴클레오티드가 제2 포어에 도달할 때 쯤에, 전압 중 하나 또는 둘 다가 변화될 수 있다. 두 포어 간의 거리가 폴리뉴클레오티드의 길이보다 더 짧도록 선택되기 때문에, 폴리뉴클레오티드가 제2 포어에 도달할 때, 또한 제1 포어 내에 있다. 그러므로, 도 7C에서 도시된 바와 같이, 제1 포어에서 전압 극성의 신속한 변화는 제2 포어로부터 폴리뉴클레오티드를 끌어당기는 힘을 발생시킬 것이다.By the time the polynucleotide reaches the second pore, one or both of the voltages can be changed. Since the distance between the two pores is chosen to be shorter than the length of the polynucleotide, when the polynucleotide reaches the second pore, it is also in the first pore. Thus, as shown in Figure 7C, a rapid change in the voltage polarity in the first pore will generate a force pulling the polynucleotide from the second pore.

두 개의 포어가 동일한 전압-힘 영향을 가지고 |V 1 | = |V 2 | + δV인 것으로 가정하면, 값 δV > 0(또는 < 0)은 |V 1 |(또는 V 2 ) 방향으로 조정 가능한 운동에 대하여 조정될 수 있다. 실제로는, 각각의 포어에서 전압-유도된 힘은 V 1 = V 2 와 동일하지 않을 것이지만, 교정 실험은 주어진 2-포어 칩에 대하여 동일한 인력을 발생시키는 적절한 바이어스 전압(bias voltage)을 확인할 수 있으며; 상기 바이어스 전압 주위의 변화가 방향 제어에 사용될 수 있다.Two forks have the same voltage-force effect | V 1 | = | V 2 | +? V , the value? V > 0 (or < 0) Can be adjusted for the adjustable movement in the direction V 1 (or V 2 ). In practice, the voltage-induced forces in each pore will not be equal to V 1 = V 2 , but calibration experiments can identify appropriate bias voltages that produce the same attraction for a given two-fored chip ; A change around the bias voltage can be used for direction control.

제1 포어에서 전압-유도된 힘의 규모가 제2 포어에서 전압-유도된 힘보다 작으면, 폴리뉴클레오티드는 제2 포어를 향해, 느린 속도로 두 개의 포어를 계속해서 교차할 것이다. 이러한 관점에서, 폴리뉴클레오티드의 이동 속도 및 방향은 두 전압의 극성 및 규모에 의해 제어될 수 있음을 알 수 있다. 하기 더 기술되는 바와 같이, 이동의 이러한 정교한 제어는 광범위하게 적용된다.If the magnitude of the voltage-induced force in the first pore is less than the voltage-induced force in the second pore, the polynucleotide will continue to cross the two pores at a slow rate toward the second pore. From this viewpoint, it can be seen that the speed and direction of movement of the polynucleotide can be controlled by the polarity and magnitude of the two voltages. As will be described further below, this sophisticated control of movement applies extensively.

따라서, 한 양태에서, 나노포어 디바이스를 통해 대전된 폴리머 스캐폴드의 이동을 제어하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 (a) 상기 구체예 중 어느 것의 디바이스의 상부 챔버, 중간 챔버 또는 하부 챔버 중 하나에서 대전된 폴리머 스캐폴드를 포함하는 샘플을 로딩하는 단계로서, 디바이스는 상부 챔버와 중간 챔버 사이에 제1 전압, 및 중간 챔버와 하부 챔버 사이에 제2 전압을 제공하는 하나 이상의 전력 공급장치에 연결되는 단계; (b) 폴리머 스캐폴드가 챔버 사이로 이동함으로써, 제1 및 제2 포어 둘 다를 가로질러 폴리머 스캐폴드를 위치시키도록 초기 제1 전압 및 초기 제2 전압을 설정하는 단계; 및 (c) 중간 챔버로부터 제1 전압 및 제2 전압이 대전된 폴리머 스캐폴드를 끌어당기는 힘을 발생시키도록(전압-경쟁 방식) 제1 전압 및 제2 전압을 조정하는 단계로서, 두 전압은 제어된 조건 하에서 규모가 달라서, 대전된 폴리머 스캐폴드가 양 방향으로 및 제어된 방식으로 두 포어를 가로질러 이동하는 단계를 수반한다.Thus, in one aspect, a method of controlling movement of a charged polymer scaffold through a nanopore device is provided. The method comprises the steps of: (a) loading a sample comprising a charged polymer scaffold in one of the upper chamber, intermediate chamber, or lower chamber of any of the above embodiments, 1 voltage, and one or more power supply devices providing a second voltage between the intermediate chamber and the lower chamber; (b) setting an initial first voltage and an initial second voltage to position the polymer scaffold across both the first and second pores by moving the polymer scaffold between chambers; And (c) adjusting a first voltage and a second voltage such that the first voltage and the second voltage from the intermediate chamber generate a force to attract the charged polymer scaffold, Scale under controlled conditions, involves moving the charged polymer scaffold across the two pores in both directions and in a controlled manner.

단계 (c)에서 전압-경쟁 방식을 입증하기 위해서, 각각의 포어에서 각각의 전압에 의해 가해지는 상대적인 힘이 사용된 각각의 2-포어 디바이스에 대하여 결정되어야 하고, 이는 폴리뉴클레오티드의 운동에 대한 다른 전압 값의 영향의 관찰에 의한 교정 실험으로 실행될 수 있는데, 이것은 폴리뉴클레오티드에서 공지된 위치 및 검출 가능한 특징들을 감지함으로써 측정될 수 있으며, 이러한 특징들의 예는 이 개시물에서 하기 더 상세히 설명된다. 힘이 각각의 공통 전압에서 동등하면, 예를 들어, 각각의 포어(접지된 중간 챔버에 비해 상부 및 하부 챔버에서 공통 극성을 가짐)에서 같은 전압 값의 사용은 열 교반의 부재 하에 제로 넷 운동(zero net motion)을 생성한다(브라운 운동(Brownian motion)의 존재 및 영향이 하기 논의됨). 힘이 각각의 공통 전압에서 동등하지 않으면, 같은 힘을 달성하는 것은 공통 전압에서 더 약한 힘을 겪는 포어에서 더 큰 전압의 확인 및 사용을 수반한다. 전압-경쟁 방식에 대한 교정은 각각의 2-포어 디바이스에 대하여 및 각각의 포어를 통과할 때 힘에 영향을 미치는 특징을 가진 특정 대전된 폴리머 또는 분자에 대하여 실행될 수 있다.To demonstrate the voltage-competition approach in step (c), the relative force exerted by each voltage in each pore should be determined for each of the two-forearn devices used, which may be different for the motion of the polynucleotide Can be carried out by a calibration experiment by observation of the influence of the voltage value, which can be measured by detecting known positions and detectable characteristics at the polynucleotide, examples of which are described in more detail below in this disclosure. If the forces are equal at each common voltage, for example, the use of the same voltage value at each pore (having a common polarity in the upper and lower chambers relative to the grounded intermediate chamber) results in zero net motion zero net motion) (the presence and effect of Brownian motion is discussed below). If the forces are not equal at each common voltage, achieving the same force involves the identification and use of a larger voltage in the pores experiencing a weaker force at the common voltage. Calibration of the voltage-competition scheme may be performed for each two-fored device and for a particular charged polymer or molecule having characteristics that affect force when passing through each pore.

한 양태에서, 대전된 폴리머 스캐폴드를 함유하는 샘플은 상부 챔버에 로딩되고, 초기 제1 전압은 대전된 폴리머 스캐폴드를 상부 챔버에서 중간 챔버로 끌어당기도록 설정되고, 초기 제2 전압은 폴리머 스캐폴드를 중간 챔버에서 하부 챔버로 끌어당기도록 설정된다. 유사하게, 샘플은 처음에 하부 챔버에 로딩될 수 있고, 대전된 폴리머 스캐폴드는 중간 챔버 및 상부 챔버로 끌어당겨질 수 있다.In one aspect, a sample containing a charged polymer scaffold is loaded into an upper chamber, and an initial first voltage is set to draw a charged polymer scaffold from the upper chamber to the intermediate chamber, And is configured to pull the fold from the intermediate chamber to the lower chamber. Similarly, the sample may initially be loaded into the lower chamber, and the charged polymer scaffold may be drawn into the intermediate chamber and the upper chamber.

또 다른 양태에서, 대전된 폴리머 스캐폴드를 함유하는 샘플은 중간 챔버에 로딩되고, 초기 제1 전압은 대전된 폴리머 스캐폴드를 중간 챔버에서 상부 챔버로 끌어당기도록 설정되고, 초기 제2 전압은 대전된 폴리머 스캐폴드를 중간 챔버에서 하부 챔버로 끌어당기도록 설정된다. In another aspect, a sample containing a charged polymer scaffold is loaded into an intermediate chamber, and an initial first voltage is set to draw the charged polymer scaffold from the intermediate chamber to the upper chamber, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; polymer &lt; / RTI &gt; scaffold from the intermediate chamber to the lower chamber.

한 양태에서, 단계 (c)에서 조정된 제1 전압 및 제2 전압은 규모가 두 전압 간의 차이/차동의 약 10배 내지 약 10,000배 만큼 높다. 예를 들어, 두 전압은 각각 90 mV 및 100 mV일 수 있다. 두 전압의 규모, 약 100 mV는 그것들 간의 차이/차동, 10 mV의 약 10배이다. 일부 양태에서, 전압의 규모는 적어도 전압 간의 차이/차동의 적어도 약 15배, 20배, 25배, 30배, 35배, 40배, 50배, 100배, 150배, 200배, 250배, 300배, 400배, 500배, 1000배, 2000배, 3000배, 4000배, 5000배, 6000배, 7000배, 8000배 또는 9000배 만큼 높다. 일부 양태에서, 전압의 규모는 전압 간의 차이/차동의 약 10000배, 9000배, 8000배, 7000배, 6000배, 5000배, 4000배, 3000배, 2000배, 1000배, 500배, 400배, 300배, 200배, 또는 100배 이하 만큼 높다.In one embodiment, the adjusted first and second voltages in step (c) are on the order of about 10 to about 10,000 times larger / different than the difference between the two voltages. For example, the two voltages may be 90 mV and 100 mV, respectively. The magnitude of the two voltages, about 100 mV, is about 10 times the difference / differential, 10 mV, between them. In some embodiments, the magnitude of the voltage is at least about 15 times, 20 times, 25 times, 30 times, 35 times, 40 times, 50 times, 100 times, 150 times, 200 times, 250 times, 300 times, 400 times, 500 times, 1000 times, 2000 times, 3000 times, 4000 times, 5000 times, 6000 times, 7000 times, 8000 times or 9000 times. In some embodiments, the magnitude of the voltage is about 10000 times, 9000 times, 8000 times, 7000 times, 6000 times, 5000 times, 4000 times, 3000 times, 2000 times, 1000 times, 500 times, 400 times , 300 times, 200 times, or 100 times or less.

한 양태에서, 단계 (c)에서 제1 전압 및 제2 전압에 대한 실시간 또는 온라인 조정은 최대 수백 메가헤르츠의 클럭 속도(clock rate)로, 전용 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하는 활성 제어 또는 피드백 제어에 의해 수행된다. 제1 또는 제2 또는 두 전압의 자동화된 제어는 제1 또는 제2 또는 두 이온 전류 측정의 피드백을 기반으로 한다.In one embodiment, the real-time or on-line adjustment to the first voltage and the second voltage in step (c) may be performed at a clock rate of up to several hundred megahertz, by active control or feedback control using dedicated hardware and software . The automated control of the first, second, or both voltages is based on feedback of the first, second, or both ion current measurements.

센서sensor

특정 구체예에서, 본 발명의 나노포어 디바이스는 표적 모티프의 결합 상태의 확인을 수행하기 위해 하나 이상의 센서를 포함한다.In certain embodiments, the nanopore device of the present invention includes one or more sensors to perform confirmation of the binding status of the target motif.

디바이스에 사용된 센서는 분자 또는 입자, 예컨대 대전된 폴리머를 확인하는데 적합한 임의의 센서일 수 있다. 예를 들어, 센서는 전류, 전압, pH, 대전된 폴리머와 관련된 광학적 특징 또는 체류 시간 또는 대전된 폴리머의 하나 이상의 개개의 구성요소를 측정함으로써 대전된 폴리머를 확인하도록 구성될 수 있다. 일부 구체예에서, 센서는 분자 또는 입자, 특히 대전된 폴리머(예를 들어, 폴리머뉴크렐오티드)가 포어를 통해 이동할 때 포어를 통과하는 이온 전류를 측정하기 위해 포어의 양 측면에 배치된 전극의 쌍을 포함한다. The sensor used in the device may be any sensor suitable for identifying molecules or particles, e.g., charged polymers. For example, the sensor can be configured to identify the charged polymer by measuring current, voltage, pH, optical characteristics associated with the charged polymer, or residence time or one or more individual components of the charged polymer. In some embodiments, the sensor is configured to measure the ion current passing through the pores as molecules or particles, particularly charged polymers (e.g., polymeric nucleolites) travel through the pores, Lt; / RTI &gt;

특정 구체예에서, 센서는 폴리머 또는 폴리머의 구성요소(또는 유닛)의 광학적 특징을 측정한다. 이러한 측정의 한 예는 특정 유닛 특유의 흡수대의 적외선(또는 자외선) 분광법에 의한 확인을 포함한다.In certain embodiments, the sensor measures the optical characteristics of the polymer (or unit) of the polymer or polymer. One example of such a measurement includes confirmation by infrared (or ultraviolet) spectroscopy of a specific unit-specific absorption band.

체류 시간 측정이 사용될 때, 체류 시간은 감지 디바이스를 통과하는데 걸린 시간의 길이를 기반으로 하여 특정 유닛에 대한 유닛의 크기와 연관성이 있을 것이다.When a residence time measurement is used, the residence time will be related to the size of the unit for a particular unit based on the length of time it took to pass through the sensing device.

일부 구체예에서, 센서는 각각의 프로브와의 특징적인 비-공유 결합을 형성하는 시약으로 기능화된다. 이와 관련하여, 갭은 더 크고 효과적인 측정을 허용할 수 있다. 예를 들어, 5 nm 갭은 대략 5 nm를 측정하는 프로브/표적 복합체를 검출하는데 사용될 수 있다. 기능화된 센서를 이용한 터널 감지는 "인식 터널링(recognition tunneling)"이라고 불린다. 인식 터널링을 이용하는 주사 터널링 현미경(STM)을 사용하여, 표적 모티프에 결합된 프로브가 쉽게 확인된다.In some embodiments, the sensor is functionalized with a reagent that forms a characteristic non-covalent bond with each probe. In this regard, the gap can allow larger and more effective measurements. For example, a 5 nm gap can be used to detect probe / target complexes measuring approximately 5 nm. Tunnel sensing using a functionalized sensor is called "recognition tunneling ". Using a scanning tunneling microscope (STM) with recognition tunneling, probes coupled to the target motif are readily identified.

그러므로, 본 기술의 방법은 각각 하나 또는 두 개의 나노포어 채널에 또는 포어 사이에 위치한, 하나 이상의 인식 터널링 부위로의 대전된 폴리뉴클레오티드(예를 들어, DNA)의 전달 속도를 제어할 수 있고, 전압 제어는 각각의 프로브/표적 복합체가 확인에 충분한 기간 동안 각각의 부위에 있음을 보장할 수 있다.Thus, the methods of the present technology can control the delivery rate of charged polynucleotides (e. G., DNA) to one or more recognition tunneling sites, each located in one or two nanopore channels or between the pores, Control can ensure that each probe / target complex is at each site for a sufficient period of time to be validated.

디바이스의 센서 및 본 개시물의 방법은 금, 백금, 그래핀, 또는 탄소, 또는 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다. 특정 양태에서, 센서는 그래핀으로 만들어진 부품을 포함한다. 그래핀은 도체 및 절연체의 작용을 할 수 있으므로, 그래핀을 통하고 나노포어를 가로지르는 터널링 전류는 전위 DNA를 시퀀싱할 수 있다.The sensor of the device and the method of the present disclosure may comprise gold, platinum, graphene, or carbon, or other suitable material. In certain embodiments, the sensor includes a component made of graphene. Since graphene can act as a conductor and an insulator, the tunneling current through the graphene and across the nanopore can sequence the potential DNA.

일부 구체예에서, 터널 갭은 약 1 nm 내지 약 20 nm인 너비를 가진다. 한 양태에서, 갭의 너비는 적어도 약 1 nm, 또는 적어도 약 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 또는 15 nm이다. 또 다른 양태에서, 갭의 너비는 약 20 nm 이하, 또는 약 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 또는 2 nm 이하이다. 일부 양태에서, 너비는 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 2 nm 내지 약 10 nm, 약 2.5 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 2.5 nm 내지 약 5 nm이다.In some embodiments, the tunnel gap has a width from about 1 nm to about 20 nm. In one embodiment, the width of the gap is at least about 1 nm, or at least about 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 or 15 nm. In another embodiment, the width of the gap is about 20 nm or less, or about 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, Or 2 nm or less. In some embodiments, the width is from about 1 nm to about 15 nm, from about 1 nm to about 10 nm, from about 2 nm to about 10 nm, from about 2.5 nm to about 10 nm, or from about 2.5 nm to about 5 nm.

일부 구체예에서, 센서는 전기 센서이다. 일부 구체예에서, 센서는 프로브가 독특한 형광 시그니처를 생성하는 라벨을 가질 때 형광 검출 수단을 검출한다. 유출구에서 방사선원은 상기 시그니처를 검출하는데 사용될 수 있다.In some embodiments, the sensor is an electrical sensor. In some embodiments, the sensor detects fluorescence detection means when the probe has a label that produces a unique fluorescence signature. A radiation source at the outlet can be used to detect the signature.

본 발명이 상기 구체예와 함께 기술되는 한편, 전술된 기술내용 및 하기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라 설명하려는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 범위 내에서 다른 양태, 이점 및 변형은 본 발명이 속한 업계의 당업자에게 분명해질 것이다.While the invention will be described in conjunction with the foregoing embodiments, it is to be understood that the foregoing description and the following examples are intended to illustrate and not limit the scope of the invention. Other aspects, advantages and modifications within the scope of the present invention will become apparent to those skilled in the art to which the present invention belongs.

실시예Example

실시예Example 1 - 고체-상태  1 - solid state 나노포어Nanopore 실험에서 DNA 단독 In the experiment, DNA alone

나노포어 기구는 개방형 포어를 통해 이온 전류(I0)를 측정하는 동안 포어를 가로질러 전압 V를 인가하기 위해 민감한 전압-클램프 증폭기를 사용한다. 단일 대전된 분자, 예컨대 이중-가닥 DNA(dsDNA)가 전기영동에 의해 캡쳐되고 포어를 통해 구동될 때, 측정된 전류는 I0에서 IB로 이동하고, ΔI = I0 - IB 및 기간 tD를 사용하여 이벤트를 특성화하였다. 실험 중에 많은 이벤트를 기록한 후, ΔI 대 tD 플롯에서 이벤트의 분포를 분석하여 플롯의 집단에서 해당 분자를 특성화한다. 이렇게 하여, 나노포어는 생체 분자 감지를 위해 간단하고, 라벨이 필요 없고, 순수하게 전기적인 단일-분자 방법을 제공한다.The nanopore mechanism uses a sensitive voltage-clamp amplifier to apply a voltage V across the pore while measuring the ion current (I 0 ) through an open pore. Single charged molecules, such as double-stranded DNA (dsDNA) is captured by electrophoresis when driven through the pore, the measured current is moved from I 0 to I B and, ΔI = I 0 - I B and the period t D was used to characterize the event. After recording a number of events during the experiment, the distribution of events in the ΔI vs. t D plot is analyzed to characterize the molecule in the population of plots. In this way, nanopores provide a simple, label-free, purely electrical single-molecule method for biomolecule sensing.

질화규소(SiN) 기판에서 제조된 단일 나노포어는 100 nm 두께 SiN 막에서 40 nm 직경 포어이고 고체-상태 나노포어의 예로서 나타난다(도 11A). 도 11B에서, 대표적인 전류 추적은 1M KCl을 함유하는 버퍼에서 200 mV에서 10 nm 두께 SiN의 11 nm 직경 나노포어를 통해 단일 파일 방식(폴딩되지 않음)으로 통과하는 5.6 kb dsDNA에 의해 유발된 차단 이벤트를 나타낸다. 전류는 DNA가 0.3 M 이상의 KCl 농도에서 포어를 통과할 때 감소하는 반면, DNA가 0.3 M보다 낮은 KCl 농도에서 포어를 통과할 때 증가한다. 평균 개방 채널 전류는 I0 = 9.6 nA이며, 평균 이벤트 진폭은 IB = 9.1 nA이고, 평균 이벤트 기간은 tD = 0.064 ms이다. dsDNA 분자의 전위에서 나노포어를 통한 진폭 이동은 ΔI = I0 - IB = 0.5 nA이다. 도 11C에서, 산점도는 16분 동안 기록된 1301개의 이벤트 모두에 대한 |ΔI| 대 tD를 나타낸다.A single nanopore fabricated on silicon nitride (SiN) substrate appears as an example of a solid-state nanopore with a 40 nm diameter pore in a 100 nm thick SiN film (FIG. 11A). In Figure 11B, a typical current tracing is a blocking event triggered by a 5.6 kb dsDNA that passes through a 11-nm diameter nanopore of 10 nm thick SiN at 200 mV in a buffer containing 1 M KCl in a single file format (unfolded) . The current increases as the DNA passes through the pore at a KCl concentration of less than 0.3 M, whereas DNA decreases when the DNA passes through the pore at a KCl concentration of 0.3 M or more. The average open channel current is I 0 = 9.6 nA, the average event amplitude is I B = 9.1 nA, and the average event duration is t D = 0.064 ms. The amplitude shift of the dsDNA molecule through the nanopore is ΔI = I 0 - I B = 0.5 nA. In Fig. 11C, the scatter plot shows |? I | for all 1301 events recorded for 16 minutes. To t D.

실시예Example 2 - 표적 서열 검출을 위한 PNA 및 비오틴을 포함하는  2-containing PNA and biotin for target sequence detection 캡쳐capture 분자 molecule

본 발명자들은 조작된 폴리머 스캐폴드에 의해 용액 내 화합물의 결합 검출을 허용하는 방법을 입증하였다. 본 발명자들은 뉴트라비딘에 결합하는 비오틴 모이어티를 함유하도록 변형된 PNA 프로브를 제공한다. 뉴트라비딘은 벌크를 증가시키므로 PNA를 큰 나노포어(예를 들어, 15-30 nm 직경)에서 검출 가능하게 만든다. 특히, 본 발명자들은 12-mer 펩티드-핵산(PNA) 프로브 분자에 결합하도록 5.6 kb dsDNA 스캐폴드를 조작하였으며, 각각의 PNA 프로브는 각각 뉴트라비딘에 결합되는 3개의 비오티닐화된 부위를 가진다(도 12A). 본 발명자들은 PNA 프로브에 결합하는 25개의 별개의 부위(결합 모티프)를 갖도록 dsDNA 스캐폴드를 조작하였다(도 12B). 본 발명자들은 폴리머 스캐폴드 단독, 유리 뉴트라비딘, 또는 프로브/DNA 복합체를 포함하는 용액을 제공하였다(도 13). 각 집단으로부터 얻어진 전류 이벤트 시그니처는 DNA/PNA/뉴트라비딘 복합체가 다른 백그라운드 이벤트 유형(예를 들어, 미결합 DNA 단독, 뉴트라비딘 단독, PNA/뉴트라비딘 단독)보다 검출 가능성이 큰 전위 전류 시그니처를 유발하므로 이는 나노포어에서 확인될 수 있음을 나타낸다(도 13). 이 실시예에서, 본 발명자들은 DNA/PNA/뉴트라비딘 복합체가 높은 신뢰도로 나노포어로 검출될 수 있음을 보여준다.The present inventors have demonstrated a method of allowing the detection of binding of a compound in solution by a manipulated polymer scaffold. The present inventors provide a PNA probe modified to contain a biotin moiety that binds to a neutravidin. Nutrabydines increase the bulk, making the PNA detectable in large nano-pores (eg, 15-30 nm diameter). Specifically, we engineered a 5.6 kb dsDNA scaffold to bind to a 12-mer peptide-nucleic acid (PNA) probe molecule, each PNA probe having three biotinylated sites that are each linked to a neurotavidin 12A). We engineered the dsDNA scaffold to have 25 distinct sites (binding motifs) that bind to PNA probes (Figure 12B). We provided a solution comprising a polymer scaffold alone, free neutravidin, or a probe / DNA complex (Figure 13). Current event signatures obtained from each group lead to a detectable potential signatures that are more detectable than other background event types (eg, unbound DNA alone, neutravidin alone, PNA / neutravidin alone), DNA / PNA / Indicating that it can be confirmed in the nanopore (FIG. 13). In this example, we show that DNA / PNA / Nutravidin complexes can be detected with high confidence in nanopores.

특이적 DNA 서열에 결합하는 프로브는 스캐폴드 전반에 걸쳐 25번 반복되는 독특한 서열(GAAAGTGAAAGT, uSeq1)에 결합하는 단백질 핵산 분자(PNA)이다. 실험에 사용된 PNA는 서열 GAA*AGT*GAA*AGT을 갖는데, 여기서 *는 비오틴이 리신 아미노산에 커플링하여 감마 위치에서 PNA 백본으로 통합되고, 따라서 각각의 PNA는 세 개의 비오틴 분자를 가지며 잠재적으로는 3개의 뉴트라비딘 분자에 결합함(PNABio)을 나타낸다. PNA를 결합시키기 위해서, 60 nM 스캐폴드를 95℃로 2분 동안 가열하고, 60℃로 냉각시키고 15 mM NaCl에서 1시간 동안 스캐폴드 상의 가능한 PNA-결합 부위에 대하여 10x 초과량의 PNA와 함께 인큐베이션시킨 다음 4℃로 냉각시켰다. 초과량 PNA를 10 mM Tris pH 8.0에 대하여 2시간 동안 투석하였다(20k MWCO, Thermo Scientific). 이 DNA/PNA 복합체를 그 후 스캐폴드에 결합된 가능한 비오틴 부위에 10배 초과량의 뉴트라비딘 단백질(Pierce/Thermo Scientific)로 라벨링한다(투석 중에 PNA의 60% 감소를 가정함). 반응물을 상기 기술된 바와 같이 전기영동하여 순도, 농도, 및 잠재적 응집을 평가한다.A probe that binds to a specific DNA sequence is a protein nucleic acid molecule (PNA) that binds to a unique sequence (GAAAGTGAAAGT, uSeql) repeated 25 times throughout the scaffold. The PNA used in the experiment has the sequence GAA * AGT * GAA * AGT, where * is incorporated into the PNA backbone at the gamma position by coupling to biotin with lysine amino acids, so that each PNA has three biotin molecules and potentially (PNABio), which binds to three neu- trastine molecules. To bind PNA, a 60 nM scaffold was heated to 95 [deg.] C for 2 min, cooled to 60 [deg.] C and incubated with PNA in excess of 10x for possible PNA- binding sites on the scaffold for 1 hour at 15 mM NaCl Gt; 4 C &lt; / RTI &gt; Excess PNA was dialyzed against 10 mM Tris pH 8.0 for 2 hours (20k MWCO, Thermo Scientific). This DNA / PNA complex is then labeled with a 10-fold excess of neutavidin protein (Pierce / Thermo Scientific) on possible biotin sites bound to the scaffold (assuming a 60% reduction in PNA during dialysis). Reactions are electrophoresed as described above to assess purity, concentration, and potential aggregation.

도 14A-B는 다음과 같은 3가지 별도의 실험으로부터 ΔI 대 tD 분산을 비교하는 데이터를 나타낸다: DNA 단독(D), 뉴트라비딘 단독(N), 및 D/P/N 시약(DPN). D/P/N 실험에서 가장 큰 |ΔI| 이벤트는 D/P/N 복합체에 기인하며(도 13), 이는 결합 상태(즉, 미결합, PNA를 가지는 스캐폴드, 및 PNA 및 결합된 뉴트라비딘을 가지는 스캐폴드)를 기반으로 하여 태그 이벤트에 대한 간단한 기준을 제공한다. 구체적으로는, 본 발명자들은 상기 이벤트에 대하여 |ΔI| > 4nA인 경우 D/P/N 복합체에 해당하는 이벤트를 표시할 수 있다. 도 14A의 데이터 세트에 대하여, D/P/N 실험의 이벤트 중 9.3%(390)가 |ΔI|> 4nA인데 반해, 대조군에서 단지 0.46%의 D 및 0.16%의 N 이벤트만이 4 nA를 초과한다. 1M KCl 및 인가된 200 mV에서 7 nm 직경 포어를 이용한 별도의 실험에서(데이터 미도시), 0.4 nM 농도로 PNA 및 뉴트라비딘을 이용한 대조군에서는, 어떠한 이벤트도 4 nA를 초과하지 않았다(0%). 본 발명자들의 수학적 기준을 적용하면, 확률 변수 Q = {표시된 이벤트의 일부}는 이항 분포를 가지고, 이러한 및 다른 통계적 모델링 도구를 사용하여, 본 발명자들은 Q = 9.29 ± 1.15%로 설정된 이 데이터에 대한 99% 신뢰 구간을 산출할 수 있다. 9.29% > 0.46%(최대 위양성 %)가 Q에 대한 99% 신뢰 구간 내에서 충분히 만족되기 때문에, 본 발명자들은 양성 테스트 결과를 가지며, 8분 이내에 데이터를 수집한다. 사실, 같은 99% 신뢰도는 이 데이터 세트에 대해 데이터의 처음 60초 만으로도 달성된다. 겔 이동은 스캐폴드 DNA 이동이 뉴트라비딘 의존적 방식에서 지연됨을 나타내고(도 14C); 이 결과는 모든 DNA가 라벨링되고 거의 균질한 집단이 생성되는 것으로 보이기 때문에, 본 발명자들이 이 예비 실험에서 10x 농도를 사용하도록 안내한다.Figure 14A-B shows the data for comparing the ΔI for t D dispersion from the following three separate experiments: DNA alone (D), Nutra neutravidin alone (N), and D / P / N reagent (DPN). In the D / P / N experiment, the largest | ΔI | The event is due to the D / P / N complex (Figure 13), which is based on the binding state (i.e., unbound, scaffold with PNA, and scaffold with PNA and combined neutravidin) Provides a simple criterion for. Specifically, the present inventors have found that |? I | > 4nA, it is possible to display the event corresponding to the D / P / N complex. For the data set of FIG. 14A, only 9.4% (390) of the D / P / N experiments were deviated by |? I |> 4nA whereas only 0.46% of D and 0.16% of N events in the control group exceeded 4 nA do. In a separate experiment (data not shown) with 1 M KCl and an applied 200 mV 7 nm diameter pore, no events exceeded 4 nA (0%) in the control group with PNA and neutravidin at 0.4 nM concentration . Applying our mathematical criterion, the random variable Q = {part of the marked event} has a binomial distribution, and using these and other statistical modeling tools, the inventors have found that for this data set to Q = 9.29 + 1.15% 99% confidence interval can be calculated. Since 9.29%> 0.46% (maximum false positive%) is fully satisfied within the 99% confidence interval for Q, the inventors have positive test results and collect data within 8 minutes. In fact, the same 99% confidence is achieved with only the first 60 seconds of data for this data set. Gel migration indicates that scaffold DNA transfer is delayed in a neu- trambin-dependent manner (Fig. 14C); This result leads us to use the 10x concentration in this preliminary experiment, since all the DNA is labeled and a nearly homogeneous population appears to be produced.

실시예Example 3 - DNA  3 - DNA 스캐폴드에On the scaffold 결합하는  Combine VspRVspR 단백질 및  Protein and 나노포어Nanopore 검출 detection

VspR 단백질은 서열 특이적 방식으로 높은 마이크로 몰 친화도로 dsDNA에 직접적으로 결합하는 비브리오 콜레라(V. cholerae)의 90 kDa 단백질이다(참고문헌: Yildiz, Fitnat H., Nadia A. Dolganov, and Gary K. Schoolnik. "VpsR, a Member of the Response Regulators of the Two-Component Regulatory Systems, Is Required for Expression of Biosynthesis Genes and EPSETr-Associated Phenotypes in Vibrio cholerae O1 El Tor." Journal of bacteriology 183, no. 5 (2001): 1716-1726 참조). 나노포어 기술을 사용하는 표적 서열 검출의 이 실시예에서, VspR은 부위-특이적 DNA 결합 도메인을 가진 프로브 분자로서 작용한다. 이 실험에서, 본 발명자들은 DNA에서 특이적 서열이 존재함을 검출하기 위해 단백질을 사용하는 모델로서 DNA 스캐폴드 상의 VspR의 검출을 확인하였다. DNA 스캐폴드는 10개의 VspR 특이적 결합 부위를 함유하였다(도 15). dsDNA 결합에 대한 VspR의 친화도를 보존하기 위해서, 본 발명자들은 나노포어를 통한 VspR-결합된 스캐폴드 전위가 나노포어를 통한 전류 흐름을 향상시키는 염 농도인 0.1 M KCl을 사용하였다(도 16). 본 발명자들은 기록 버퍼에서 18 nM의 농도, 및 라벨링(결합 단계) 중에는 180 nM의 농도로 VspR 단백질을 함유하는 용액을 제공하였다. 이것은 DNA 상의 결합 부위에 대하여 VspR 단백질의 18x 초과량의 결과를 가져온다. 실험을 pH 8.0(VspR 단백질의 pI는 5.8이다)에서 실행하였다. Kd 및 DNA 농도를 고려하여, 단지 0.1-1%의 DNA가 VspR에 의해 완전히 점유되어야 하며, 부분적으로는 더 높은 퍼센트가 점유되고, 일부 미공지된 나머지 퍼센트의 DNA는 전적으로 결합되지 않는다. 또한, 나노포어 실험 중 용액에는 유리 VspR 단백질이 존재한다. The VspR protein is a 90 kDa protein of V. cholerae that binds directly to dsDNA with high micromolar affinity in a sequence-specific manner (Yildiz, Fitnat H., Nadia A. Dolganov, and Gary K. Journal of bacteriology 183, no. 5 (2001), " Vectors of Vibrio cholerae O1 El Tor. " : 1716-1726). In this example of target sequence detection using nanopore technology, VspR serves as a probe molecule with a site-specific DNA binding domain. In this experiment, the present inventors confirmed the detection of VspR on a DNA scaffold as a model using a protein to detect the presence of a specific sequence in DNA. The DNA scaffold contained 10 VspR specific binding sites (Figure 15). To preserve the affinity of VspR for dsDNA binding, we used 0.1 M KCl, the salt concentration at which the VspR-bound scaffold dislocations through the nanopore improve the current flow through the nanopore (Figure 16) . We provided a solution containing the VspR protein at a concentration of 18 nM in the recording buffer and at a concentration of 180 nM during labeling (binding step). This results in an excess of 18x the VspR protein on the DNA binding site. Experiments were performed at pH 8.0 (pI of VspR protein was 5.8). Considering Kd and DNA concentration, only 0.1-1% of the DNA should be completely occupied by VspR, partly occupying a higher percentage, and some unrecognized remaining percentages of DNA are not totally bound. In addition, the free VspR protein is present in the solution during the nanopore experiment.

두 개의 대표적인 이벤트는 도 16A 및 도 16B에서 나타난다. VspR을 이용한 실험에서, VspR 농도는 18 nM(1.6 mg/L), 10nM의 결합 부위였다. 스캐폴드 농도는 1 nM이었으며 6.6초마다 캡쳐를 발생시킨다. 포어 크기는 직경 및 길이가 15 nm이다. 전압은 -100 mV이며, 음전압은 음전류를 생성하고, 따라서 상향 시프트는 VspR-결합된 DNA 이벤트(도 16B)에 대하여 나타난 바와 같이 감쇠 이벤트에 해당하는 반면, 하향 시프트는 미결합 DNA 스캐폴드 이벤트(도 16A)에서 나타난 바와 같이 양성 시프트를 생성한다. 이것은 도 2에서 이상화된 신호 패턴 및 조건과 일치하며, DNA 이벤트(도 16A)는 융합 분자-결합된 DNA 이벤트(도 16B)와 비교하여 더 빠른 기간 및 반대 극성을 가진다. 따라서, 이 도면에서의 중요한 관찰은 VspR-결합된 이벤트가 미결합 DNA 이벤트와 비교하여 반대의 신호 극성을 가지므로 특이적 DNA 서열이 존재한다는 것을 쉽게 검출 가능하다는 것을 나타낸다. 도 17은 포어를 통과하는 VspR-결합된 스캐폴드와 일치하는 10개 이상의 대표적인 전류 감쇠 이벤트를 나타낸다. 기록하는 10분 동안 90개의 이러한 이벤트가 있으며, 이는 6.6 초 당 1개의 VspR-결합된 이벤트에 해당한다. 이벤트는 진폭이 50 내지 150 pA이고 기간이 0.2 내지 2 밀리초인 감쇠였다. 명시된 바와 같이, 도 16-17에서 하향 이벤트는 전류 향상 이벤트에 해당하고 상향 이벤트는 전류 감쇠 이벤트에 해당하며, 디스플레이 목적을 위해서 베이스라인이 0에 맞춰지더라도 이러한 이동 방향은 보존된다.Two representative events are shown in Figures 16A and 16B. In the experiment using VspR, the VspR concentration was 18 nM (1.6 mg / L), 10 nM binding site. The scaffold concentration was 1 nM, resulting in capture every 6.6 seconds. Pore size is 15 nm in diameter and length. The voltage is -100 mV and the negative voltage produces a negative current so that the upshift corresponds to an attenuation event as shown for the VspR-associated DNA event (Figure 16B), while the downshift corresponds to the unbound DNA scaffold To generate a positive shift as shown in the event (Figure 16A). This corresponds to the idealized signal pattern and condition in FIG. 2, and the DNA event (FIG. 16A) has a faster period and opposite polarity compared to the fusion molecule-bound DNA event (FIG. 16B). Thus, an important observation in this figure shows that the presence of a specific DNA sequence is readily detectable since the VspR-linked event has opposite signal polarity compared to unbound DNA events. Figure 17 shows at least ten representative current decay events consistent with the VspR-coupled scaffold through the pores. There are 90 such events for 10 minutes to record, which corresponds to one VspR-combined event per 6.6 seconds. The event was attenuation with an amplitude of 50 to 150 pA and a duration of 0.2 to 2 milliseconds. 16-17, the downward event corresponds to the current enhancement event, the upward event corresponds to the current attenuation event, and even if the baseline is set to zero for display purposes, this direction of movement is preserved.

실시예Example 4 - 서열 특이적  4 - Sequence specific 프로브Probe 합성 및 표적 서열 결합 Synthesis and Target Sequence Binding

이 실시예에서, 본 발명자들은 원하는 표적 서열에 대한 결합을 위해 PNA 프로브의 생성을 보여주며, PNA에 부가된 특징들은 나노포어에서 증가된 검출의 민감도를 허용한다.In this example, we show the production of a PNA probe for binding to the desired target sequence, and the features added to the PNA allow for increased sensitivity of detection in the nanopore.

본 발명자들은 3개의 시스테인 잔기를 함유하는 bisPNA 프로브를 생성하였다. bisPNA 프로브는 표적 DNA 분자 상의 이 표적 서열의 위치에서 CTTTCCC의 표적 서열을 포함하는 DNA 서열에 결합할 수 있는 PNA의 서열을 포함한다. bisPNA 프로브는 또한 나노포어에서 표적 DNA 분자에 부착된 프로브의 검출을 증가시키기 위해 bisPNA 프로브 상의 3개의 시스테인 잔기에서 말레이미도(maleimido)-PEG-Me로 라벨링하였다. 100배 초과량의 링커(메틸-PEG(10kDa)-말레이미드)를 환원 조건 하에 bisPNA(Lys-Lys-Cys-PEG3-JTTTJJJ-PEG-Cys-PEG-CCCTTTC-PEG-Cys-Lys-Lys)와 함께 인큐베이션하여 PNA-PEG 프로브를 생성하였다. 링커의 말레이미드 부분은 pH 7.4에서 PNA의 유리 티올과 반응하며, 따라서 PEG화된-PNA를 생성한다. 리신의 첨가는 특이적 동족 DNA 서열에 대한 시약 친화도를 증가시키므로 높은 염 조건(1 M LiCl) 하에서 결합된 채로 유지할 수 있게 한다. dsDNA 분자 상의 표적 서열에 결합된 PNA-PEG 프로브는 도 18A에 나타난다.The present inventors have produced bisPNA probes containing three cysteine residues. The bisPNA probe comprises a sequence of a PNA capable of binding to a DNA sequence comprising the target sequence of CTTTCCC at the position of this target sequence on the target DNA molecule. The bisPNA probes were also labeled with maleimido-PEG-Me in the three cysteine residues on the bisPNA probe to increase the detection of probes attached to the target DNA molecule in the nanopore. PEG-CEG-Cys-Lys-Lys) with a bispNA (Lys-Lys-Cys-PEG3-JTTTJJJ-PEG-Cys-PEG-CCCTTTC-PEG-Cys-Lys-Lys) under reducing conditions with a 100-fold excess of linker &Lt; / RTI &gt; and incubated together to generate a PNA-PEG probe. The maleimide moiety of the linker reacts with the free thiol of PNA at pH 7.4, thus producing PEGylated-PNA. The addition of lysine increases the reagent affinity for specific homologous DNA sequences, allowing them to remain bound under high salt conditions (1 M LiCl). The PNA-PEG probe bound to the target sequence on the dsDNA molecule is shown in Figure 18A.

DNA 분자에서 표적 서열에 대한 DNA-PEG 프로브의 결합을 확인하기 위해서, 본 발명자들은 다른 버전의 PEG 프로브를 DNA와 함께 인큐베이션하여 얻어진 용액을 사용하여 겔 이동 검정을 수행하였다. 이 검정을 위해서, 본 발명자들은 도 18B에서 나타난 바와 같이 4가지 샘플을 사용하였다. 레인 1은 DNA 단독이고, 레인 2는 DNA + PNA이고, 레인 3은 DNA + PNA-PEG(10kDa)이고, 레인 4는 DNA + PNA-PEG(20kDa)이다. 레인 2-4에서의 상향 이동은 DNA에 결합되는 bisPNA 종과 일치한다. 원형 종은 DNA/PNA-PEG이고, 박스형 종은 라벨링 실험에서 잔류 PNA(PEG 없음)로서 존재하는 레인 3 및 4의 DNA/PNA이다. 겔 이동 검정의 결과는 표적 서열을 함유하는 DNA와 PNA에 PEG의 부착에 관계없이 표적 서열에 상보적인 동족 DNA 서열을 가진 PNA 프로브의 복합체 형성을 나타낸다. 따라서, 본 발명자들은 나노포어에서 검출될 수 있는 서열-특이적 프로브의 성공적인 복합체 형성을 확인하였다.To confirm the binding of the DNA-PEG probe to the target sequence in the DNA molecule, we performed gel migration assays using solutions obtained by incubating different versions of the PEG probe with DNA. For this assay, we used four samples as shown in Figure 18B. Lane 1 is DNA alone, lane 2 is DNA + PNA, lane 3 is DNA + PNA-PEG (10 kDa), and lane 4 is DNA + PNA-PEG (20 kDa). The uptake in lanes 2-4 is consistent with the bisPNA species bound to DNA. The prototype is DNA / PNA-PEG and the boxed species is DNA / PNA of lanes 3 and 4 present as residual PNA (without PEG) in labeling experiments. The results of the gel migration assay indicate the complex formation of PNA probes with homologous DNA sequences complementary to the target sequence, regardless of the attachment of PEG to the DNA containing the target sequence and PNA. Thus, we have identified successful complex formation of sequence-specific probes that can be detected in nanopores.

그 후, 본 발명자들은 표적 DNA 서열에 대한 PNA 프로브의 특이성을 보여주기 위한 검정을 수행하였다. 본원에서, 본 발명자들은 PNA 프로브(PEG 없음)를, 표적 서열이 없는 DNA(레인 2), PNA 프로브와의 단일 염기 미스매치를 포함하는 표적 서열을 가진 DNA(레인 3), 및 완전한 표적 서열을 가진 DNA(레인 4)를 포함하는 샘플과 함께, 인큐베이션하였고, 각각의 샘플을 겔 이동 검정을 사용하여 분석하였는데, 이 결과는 도 18C에서 나타난다. 레인 1은 DNA 마커이다. 이 결과에 나타난 바와 같이, 정확히 표적 서열이 일치하는 DNA(레인 4)가 PNA에 결합하는 한편, 단일 염기 미스매치 서열을 포함하는 표적 서열을 가진 DNA(레인 3), 및 표적 서열이 없는 DNA(표적 서열 대신에 랜덤 서열)(레인 2)는 PNA 결합을 나타내지 않는다. 그러므로, 겔 이동 검정은 PNA가 표적 서열을 포함하는 DNA에 특이적으로 결합하며, 표적 서열에서 단일 미스매치를 가진 DNA에 조차 결합하지 않는다는 것을 나타낸다.The inventors then performed assays to show the specificity of the PNA probes for the target DNA sequence. In this application, the present inventors used a PNA probe (without PEG) as a template, a DNA with no target sequence (lane 2), a DNA with a target sequence containing a single base mismatch with a PNA probe (lane 3) (Lane 4), and each sample was analyzed using a gel migration assay, the results of which are shown in Figure 18C. Lane 1 is a DNA marker. As shown in this result, DNA (lane 4) having the target sequence correctly binds to PNA while DNA (target 3) having the target sequence containing the single base mismatch sequence (lane 3) and DNA without the target sequence Random sequence (instead of the target sequence) (lane 2) does not exhibit PNA binding. Therefore, gel migration assays indicate that PNA specifically binds to DNA containing the target sequence and does not bind even DNA with a single mismatch in the target sequence.

실시예Example 5 - 변형된 서열-특이적  5-Modified sequence-specific 프로브를The probe 사용하여  using 나노포어에서In the nanopore 표적 서열 검출 Target sequence detection

이 실시예에서, 본 발명자들은 PEG 변형된 서열-특이적 PNA 프로브에 결합된 표적 서열을 포함하는 DNA 분자의 검출을 보여준다. In this example, we show detection of a DNA molecule comprising a target sequence bound to a PEG-modified sequence-specific PNA probe.

본 발명자들은 PEG 부착 및 PEG 길이에 기초하여 상이한 벌크성을 갖도록 세 가지 상이한 PNA 프로브를 제공하였다. 다음과 같은 세 가지 타입의 프로브를 사용하였다: 1) PEG 없는 PNA, 2) 5 kDa PEG에 결합된 PNA, 3) 10kDa PEG에 결합된 PNA. 각각의 프로브를 표적 서열을 포함하는 DNA와 혼합시켰고 나노포어에서 PNA 프로브에 결합된 DNA를 검출하였다. 샘플에서 각각의 복합체의 농도는 1M LiCl 버퍼에서 2nM이었다. 샘플을 나노포어 디바이스에서 100mV의 인가된 전압 하에 실행하였다. 결과는 도 19A-19E에서 나타난다.The present inventors have provided three different PNA probes to have different bulk properties based on PEG attachment and PEG length. Three types of probes were used: 1) PNA without PEG, 2) PNA coupled to 5 kDa PEG, and 3) PNA coupled to 10 kDa PEG. Each probe was mixed with DNA containing the target sequence and DNA bound to the PNA probe was detected in the nanopore. The concentration of each complex in the sample was 2 nM in 1 M LiCl buffer. The sample was run under an applied voltage of 100 mV in a nanopore device. The results are shown in Figures 19A-19E.

도 19A에서, 관찰된 대표적인 개개의 이벤트는 프로브의 각 유형에 결합된 DNA에 대하여 나타난다. DNA/bisPNA 이벤트의 이벤트 시그니처는 좌측에 나타난다. 각각의 PNA에 결합된 최대 3개의 PEG, 및 5 kDa 크기의 PEG를 가지는 DNA/bisPNA-PEG 복합체의 이벤트 시그니처는 중간에 나타난다. 각각의 PNA에 결합된 최대 3개의 PEG, 및 10 kDa 크기의 PEG를 가지는 DNA/bisPNA-PEG 복합체의 이벤트 시그니처는 우측에 나타난다. 각각에 대한 이벤트 시그니처를 확인된 복합체의 전위 중에 나노포어를 통한 전류 차단에 의해 측정하였다. 도 19A에서, 분자 도면은 시각적 비교를 위해 크기가 조정된 선형 PEG 및 DNA를 나타낸다. 프로브 크기(벌크)가 증가함에 따라, 이벤트 시그니처가 변화된다.In Figure 19A, the representative individual events observed are for DNA bound to each type of probe. The event signature for the DNA / bisPNA event appears on the left. The event signatures of DNA / bisPNA-PEG complexes with a maximum of 3 PEGs bound to each PNA and a 5 kDa PEG size are intermediate. The event signatures of the DNA / bisPNA-PEG complex with up to 3 PEGs bound to each PNA and 10 kDa PEG are shown on the right. The event signatures for each were measured by current interruption through the nanopores in the potential of the identified complexes. In Figure 19A, the molecular diagram represents linearized PEG and DNA scaled for visual comparison. As the probe size (bulk) increases, the event signature changes.

본 발명자들은 이벤트 집단을 분석하였고 각각의 데이터 세트의 모든 이벤트에 대하여 평균 전도도 이동(dG) 대 기간의 산점도를 생성하였다. 본 발명자들은 도 19B에서 나타난 바와 같이 실험으로부터 이벤트 평균 전도도(전압으로 나눈 평균 전류 이동) 대 이벤트 기간(너비)의 산점도를 생성하였다. 플롯은 DNA/PNA, DNA/PNA-PEG(5kDa), 및 DNA/PNA-PEG(10kDa)가 이벤트 기간 및 평균 전도도를 기반으로 하여 별개의 중첩 집단을 제공한다는 것을 보여준다. 본 발명자들은 다른 복합체들 사이에서 각각의 이벤트에 대한 평균 전도도 이동(dG)의 관찰된 차이를 나타내기 위한 히스토그램을 생성하였다(도 19C). 본 발명자들은 또한 다른 복합체 사이에서 이벤트 기간의 관찰된 차이를 나타내기 위한 히스토그램을 생성하였다(도 19D).The inventors analyzed the event group and created a scatter plot of the mean conductivity shift (dG) versus time for all events in each data set. We have generated scatterplots of event mean conductivities (mean current shifts divided by voltage) versus event durations (widths) from experiments as shown in Figure 19B. Plots show that DNA / PNA, DNA / PNA-PEG (5 kDa), and DNA / PNA-PEG (10 kDa) provide distinct overlapping groups based on event duration and average conductivity. We generated a histogram to represent the observed differences in mean conductivity shifts (dG) for each event between different complexes (Figure 19C). We also generated a histogram to represent the observed differences in event duration between different complexes (Figure 19D).

실시예Example 6 -  6 - 나노포어에서In the nanopore 인간 낭포성 섬유종을 검출하기 위해  To detect human cystic fibrosis 돌연변이된Mutated cftr 유전자 표적 서열의 검출 Detection of cftr gene target sequence

본 발명자들은 표적 서열에 대한 변형된 PNA의 결합의 특이성 및 나노포어 디바이스에서 프로브를 사용하여 표적 서열을 검출하는 능력을 확인하였다. 본 발명자들은 환자의 샘플에서 돌연변이를 유발하는 질환, 구체적으로는 낭포성 섬유종을 검출하기 위해 나노포어 디바이스에서 변형된 PNA 프로브의 사용을 고려하였다.The present inventors confirmed the specificity of the binding of the modified PNA to the target sequence and the ability to detect the target sequence using the probe in the nanopore device. The present inventors have considered the use of a modified PNA probe in a nanopore device to detect a mutation-inducing disease, in particular a cystic fibrosis, in a sample of a patient.

본 발명자들은 낭포성 섬유종을 유발하는 돌연변이(ΔF508)를 가진 cftr 유전자를 포함하는 표적 DNA 서열에 특이적으로 결합하는 PNA 분자를 포함하는 변형된 PNA 프로브(PNA-PEG 프로브)를 생성하였다(실시예 4에서 기술된 방법에 따라). PNA 프로브에 결합된 PEG는 5 kDa였다. 낭포성 섬유종 질환 돌연변이를 함유하는 DNA를 돌연변이에 특이적인 PEG화된 PNA와 함께 인큐베이션하였다. 그 이후 샘플을 26 nm 포어를 가진 나노포어 디바이스에 배치하였고 나노포어를 통한 전위 이벤트를 기록하고 분석하였다.We generated a modified PNA probe (PNA-PEG probe) comprising a PNA molecule that specifically binds to a target DNA sequence comprising a cftr gene with a mutation (? F508) that induces cystic fibrosis 4). &Lt; / RTI &gt; The PEG bound to the PNA probe was 5 kDa. DNA containing cystic fibrosis disease mutations was incubated with PEGylated PNA specific for mutation. The samples were then placed on a nanopore device with a 26 nm pore and potential events via nanopores were recorded and analyzed.

DNA 분자에 결합된 PNA-PEG 프로브의 전위와 연관된 전위 이벤트 시그니처를 돌연변이(ΔF508)를 유발하는 낭포성 섬유종을 함유하는 DNA를 가진 샘플에서 관찰하였다. 대표적인 이벤트 시그니처는 도 20A에서 나타난다. DNA 단독 또는 DNA/PNA 단독(즉, PEG-PNA 없음)을 가진 샘플을 사용한 실험은 백그라운드보다 높은 전위 이벤트를 제공하지 않으며, 이는 DNA에 결합된 PNA-PEG 프로브를 정확하게 확인하는 포어의 능력, 및 본원에서 제공된 변형된 프로브에 의해 검출이 향상되었음을 나타낸다. 표적 돌연변이 유전자 및 PNA-PEG 프로브를 가진 샘플로부터 기록된 이벤트 세트에 대하여, 이벤트는 평균 전도도 이동 및 기간을 특징으로 하여 분석되었다. 도 20B는 각각의 기록된 이벤트에 대한 평균 전도도 이동 대 기간 플롯을 보여준다. 도 20C 및 도 20D는 각각의 이벤트의 평균 전도도 이동 및 기간에 의해 검출된 이벤트를 특성화하기 위해 해당하는 히스토그램을 보여준다. 분석된 데이터는 나노포어를 통한 DNA/PNA-PEG(5kDa) 복합체 전위에 대한 예상 데이터와 일치하였으며, 이는 나노포어 디바이스에서 cftr 돌연변이 표적 서열의 성공적인 결합 및 확인을 나타낸다.The potential event signature associated with the potential of the PNA-PEG probe bound to the DNA molecule was observed in a sample with DNA containing cystic fibrosis causing a mutation (ΔF508). Representative event signatures are shown in Figure 20A. Experiments using samples with DNA alone or with DNA / PNA alone (i.e., no PEG-PNA) do not provide a higher potential event than background, including the ability of the pore to accurately identify PNA-PEG probes bound to DNA, and Indicating improved detection by the modified probe provided herein. For the event set recorded from the sample with the target mutant gene and the PNA-PEG probe, the event was characterized by average conductivity shift and duration. Figure 20B shows the average conductivity shift versus period plot for each recorded event. 20C and 20D show corresponding histograms for characterizing the events detected by the average conductivity shift and duration of each event. The analyzed data corresponded to the expected data for the DNA / PNA-PEG (5 kDa) complex potential via nanopores, indicating successful binding and identification of the cftr mutant target sequence in the nanopore device.

본 발명자들은 또한 야생형 cftr 서열을 가진 300bp DNA를 포함하는 샘플(레인 2) 및 ΔF508 cftr 유전자 돌연변이를 가진 300bp DNA를 포함하는 샘플(레인 3)과 함께 ΔF508 cftr 유전자 돌연변이에 특이적인 PNA-PEG(5kDa) 프로브를 포함하는 샘플에서 겔 이동 검정을 수행하였다(도 20E). 이 데이터는 PNA-PEG 프로브가 단지 ΔF508 표적 서열에만 특이적으로 결합하며, 야생형 서열에는 결합하지 않음을 보여준다.We also tested PNA-PEG (5 kDa) specific for the ΔF508 cftr gene mutation with a sample containing 300 bp DNA with wild-type cftr sequence (lane 2) and a sample containing 300 bp DNA with ΔF508 cftr mutation (lane 3) ) Probe was carried out (Figure 20E). This data shows that the PNA-PEG probe specifically binds only the? F508 target sequence, but not the wild-type sequence.

그러므로, 본 발명자들은 단일 염기 cftr 유전자 돌연변이(ΔF508)를 포함하는 DNA를 성공적으로 검출하였고, 인간 환자의 진단 또는 치료 지시를 포함하여 샘플에서 다중핵산의 특이적 서열을 검출하기 위한 본원의 시스템의 사용을 입증하였다.Therefore, the inventors have successfully detected DNA comprising a single base cftr gene mutation (? F508) and have found that the use of our system to detect specific sequences of multiple nucleic acids in a sample, including diagnostic or therapeutic indication of a human patient .

실시예Example 7 -  7 - 나노포어에서In the nanopore PNA-PEG  PNA-PEG 프로브를The probe 이용한 감염성 박테리아 검출 Detection of infectious bacteria used

이 실시예에서, 본 발명자들은 나노포어 디바이스를 사용하여 샘플 내 박테리아 DNA의 존재를 검출하기 위해 변형된 프로브의 사용을 확인하였다.In this example, we have identified the use of a modified probe to detect the presence of bacterial DNA in a sample using a nanopore device.

본 발명자들은 스타필로코쿠스 미티스(Staphylococcus mitis) 박테리아 DNA에 특이적으로 결합할 수 있는 PNA 분자를 이용하여 프로브를 합성하였다. bisPNA는 S. mitis 박테리아 종에 특이적인 서열에 상보적인 서열을 함유한다. The present inventors have synthesized probes using PNA molecules capable of specifically binding to Staphylococcus mitis bacterial DNA. bisPNA contains a sequence complementary to a sequence specific to S. mitis bacterial species.

이 검정에서, PNA 프로브는 박테리아 DNA에 결합될 때 나노포어에서 검출이 허용되도록 10kDa PEG에 결합된다. 본 발명자들은 PNA 프로브와 박테리아 DNA를 혼합하고 샘플에서 겔 이동 검정을 수행하여 결합을 관찰하였다. 도 21A는 겔 이동 검정의 결과를 나타내는데, 레인 1은 PNA 프로브가 없는 박테리아 DNA를 포함하고, 레인 2는 PNA 프로브를 가진 박테리아 DNA를 포함한다. 관찰 결과는 PNA/PEG(10kDa) 프로브가 S. mitis 박테리아 DNA에 결합됨을 보여준다.In this assay, PNA probes are bound to 10 kDa PEG so that detection is allowed in the nanopore when bound to bacterial DNA. We observed binding by mixing PNA probes with bacterial DNA and performing gel migration assays in the samples. Figure 21A shows the results of a gel migration assay in which lane 1 contains bacterial DNA without a PNA probe and lane 2 contains bacterial DNA with a PNA probe. Observations show that PNA / PEG (10 kDa) probe is bound to S. mitis bacterial DNA.

그 다음에 본 발명자들은 나노포어에서 검출을 위해 두 가지 샘플을 제조하였다. 제1 샘플은 PEG-변형된 PNA 프로브를 가진 박테리아 DNA(DNA/bisPNA-PEG)를 포함하였다. 제2 샘플은 박테리아 DNA 단독을 포함하였다. 본 발명자들은 두 번의 연이은 실험에서 나노포어 디바이스를 통해 이 샘플들을 실행하였고, 얻어진 이벤트를 분석하였다. 도 21B는 두 번의 연이은 실험에서 기록된 모든 이벤트에 대하여 세로축 상의 평균 전도도 이동(dG) 대 가로축 상의 기간의 산점도를 나타낸다. 태그된 샘플 1(사각형) 및 태그되지 않은 샘플 2(원)를 특징으로 하는 이벤트가 나타난다.The inventors then prepared two samples for detection in the nanopore. The first sample contained bacterial DNA (DNA / bisPNA-PEG) with a PEG-modified PNA probe. The second sample contained bacterial DNA alone. We run these samples through the nanopore device in two successive experiments and analyzed the resulting events. Figure 21B shows a scatter plot of the mean conductivity shift (dG) on the ordinate vs. the duration on the abscissa for all events recorded in two subsequent experiments. An event featuring tagged sample 1 (rectangle) and untagged sample 2 (circle) appears.

태그된 분자는 백그라운드 역가(점선)보다 일관되게 높은 한편, 태그되지 않은 분자는 점선보다 낮으며 백그라운드 집단과 일치한다. 다양한 백그라운드 실험(PEG 없는 DNA/PNA, 여과된 혈청 등)의 분자 집단을 사용하여 태그된 이벤트를 표시하는 역가(선)를 확립하였다. 백그라운드 이벤트는 본원에서 도시되지 않는다. 샘플에서 박테리아 DNA의 정확한 검출을 위해서, DNA는 고도로 부위-특이적인 프로브를 사용하여 태그되어야 한다.The tagged molecule is consistently higher than the background titer (dotted line), while the untagged molecule is lower than the dotted line and coincides with the background population. Molecular clusters of various background experiments (PEG-free DNA / PNA, filtered serum, etc.) were used to establish potency to display tagged events. Background events are not shown here. For accurate detection of bacterial DNA in the sample, the DNA must be tagged using highly site-specific probes.

이러한 결과는 S. mitis 박테리아 DNA의 PNA/PEG 결합된 집단이 백그라운드 이벤트로부터 확인 가능하지만 DNA 단독 또는 DNA/PNA 단독은 그렇지 않음을 보여준다. 따라서, 변형된 PNA-PEG 서열 특이적 프로브는 샘플에서 S. mitis DNA의 존재 또는 부재의 확실한 검출을 가능하게 한다.These results show that the PNA / PEG-linked population of S. mitis bacterial DNA can be identified from background events, but not DNA alone or DNA / PNA alone. Thus, the modified PNA-PEG sequence-specific probe enables reliable detection of the presence or absence of S. mitis DNA in the sample.

다른 Other 구체예Concrete example

사용된 단어들은 제한보다는 설명의 단어들이고, 더 광범위한 양태에서 본 발명의 진정한 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않는 한 첨부된 청구범위의 범위 내에서 변화가 이루어질 수도 있음을 이해해야 한다.It is to be understood that the words used are words of description rather than limitation and that changes may be made within the scope of the appended claims without departing from the true scope and spirit of the invention in its broader aspects.

본 발명이 여러 기술된 구체예에 대하여 어느 정도의 길이로 및 어느 정도의 특이성을 가지고 기술되는 한편, 임의의 이러한 특정 사항 또는 구체예 또는 임의의 특정 구체예에 제한되는 것이 아니라, 선행 기술의 관점에서 이러한 청구범위의 가정 광범위한 가능한 해석을 제공함으로, 본 발명의 의도된 범위를 효과적으로 포함하도록 첨부된 청구범위를 참조하여 해석되어야 한다.While the present invention has been described in terms of certain lengths and with a certain degree of specificity for the various described embodiments, it is not intended to be limited to any particular matter or embodiment or any particular embodiment thereof, Should be interpreted with reference to the appended claims to effectively incorporate the intended scope of the invention by providing a broad and possible interpretation of the scope of such claims.

모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 본원에서 언급된 다른 참고문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 논쟁이 있는 경우, 정의를 포함한 본 명세서는 조절될 것이다. 이에 더하여, 섹션 표제, 재료, 방법, 및 실시예는 단지 예시적인 것이며 제한하려는 의도는 아니다.All publications, patent applications, patents, and other references mentioned herein are incorporated herein by reference in their entirety. In case of dispute, the present specification including definitions will be adjusted. In addition, the section headings, materials, methods, and examples are illustrative only and not intended to be limiting.

<110> TWO PORE GUYS, INC. <120> TARGET SEQUENCE DETECTION BY NANOPORE SENSING OF SYNTHETIC PROBES <130> IF17P069US <150> US 62/056,378 <151> 2014-09-26 <160> 2 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 12 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 1 gaaagtgaaa gt 12 <210> 2 <211> 6 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic 6xHis tag <400> 2 His His His His His His 1 5 <110> TWO PORE GUYS, INC. <120> TARGET SEQUENCE DETECTION BY NANOPORE SENSING OF SYNTHETIC PROBES <130> IF17P069US <150> US 62 / 056,378 <151> 2014-09-26 <160> 2 <170> KoPatentin 3.0 <210> 1 <211> 12 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 1 gaaagtgaaa gt 12 <210> 2 <211> 6 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic 6xHis tag <400> 2 His His His His His   1 5

Claims (39)

샘플에서 표적 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드를 검출하는 방법으로서,
a) 상기 샘플과 상기 표적 서열을 포함하는 상기 폴리뉴클레오티드에 특이적으로 결합하는 프로브를 상기 표적 서열에 대한 상기 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 접촉시켜서 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체를 형성하는 단계;
b) 상기 샘플을 나노포어 디바이스의 제1 챔버에 로딩하는 단계로서, 상기 나노포어 디바이스는 적어도 하나의 나노포어 및 적어도 상기 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버는 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 전기적으로 및 유체적으로 교류하고, 상기 나노포어 디바이스는 상기 적어도 하나의 나노포어 각각을 가로질러 독립적으로 제어되는 전압 및 상기 적어도 하나의 나노포어 각각에 관련된 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 적어도 하나의 나노포어를 통해 통과하는 물체를 확인하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 나노포어를 통한 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 전위는 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체와 관련된 검출 가능한 신호를 제공하는 단계; 및
c) 상기 검출 가능한 신호를 관찰하여, 상기 표적 서열을 포함하는 상기 폴리뉴클레오티드를 검출함으로써 상기 샘플에서 상기 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 존재 또는 부재를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
A method for detecting a polynucleotide comprising a target sequence in a sample,
a) contacting the sample with a probe that specifically binds to the polynucleotide comprising the target sequence under conditions that promote binding of the probe to the target sequence to form a polynucleotide-probe complex;
b) loading the sample into a first chamber of a nanopore device, wherein the nanopore device includes at least one nanopore and at least the first chamber and the second chamber, Wherein the nanopore device is electrically and fluidly interchanged via the at least one nanofoer, wherein the nanopore device further comprises a voltage that is independently controlled across each of the at least one nanofoore and a sensor associated with each of the at least one nanofoore Wherein the sensor is configured to identify an object passing through at least one nanopore, the potential of the polynucleotide-probe complex through the at least one nanopore being determined by a detectable signal associated with the polynucleotide-probe complex ; And
c) observing the detectable signal to determine the presence or absence of the polynucleotide-probe complex in the sample by detecting the polynucleotide comprising the target sequence.
제1항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드는 DNA 또는 RNA인 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the polynucleotide is DNA or RNA.
제1항에 있어서, 상기 검출 가능한 신호는 전기 신호인 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the detectable signal is an electrical signal.
제1항에 있어서, 상기 검출 가능한 신호는 광신호인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the detectable signal is an optical signal.
제1항에 있어서, 상기 프로브는 단백질, 펩티드, 핵산, TALEN, CRISPR, 펩티드 핵산, 또는 화합물로 구성된 군으로부터 선택된 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the probe comprises a molecule selected from the group consisting of a protein, a peptide, a nucleic acid, a TALEN, a CRISPR, a peptide nucleic acid, or a compound.
제1항에 있어서, 상기 프로브는 데옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펩티드 핵산(PNA), DNA/RNA 하이브리드, 폴리펩티드, 또는 화학적으로 유도된 폴리머로 구성된 군으로부터 선택된 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The probe of claim 1, wherein the probe comprises a molecule selected from the group consisting of deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), peptide nucleic acid (PNA), DNA / RNA hybrid, polypeptide, or chemically derived polymer . &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 상기 프로브는 상기 적어도 하나의 나노포어를 통한 전위 중에 상기 폴리뉴클레오티드에 결합된 프로브의 검출을 용이하게 하도록 구성된 제2 분자에 결합된 PNA 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the probe comprises a PNA molecule coupled to a second molecule configured to facilitate detection of a probe bound to the polynucleotide in a potential across the at least one nanopore.
제7항에 있어서, 상기 제2 분자는 PEG인 것을 특징으로 하는 방법.
8. The method of claim 7, wherein the second molecule is PEG.
제8항에 있어서, 상기 PEG는 적어도 1 kDa, 2 kDa, 3 kDa, 4 kDa, 5 kDa, 6kDa, 7kDa, 8kDa, 9kDa, 또는 10kDa의 분자량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
9. The method of claim 8, wherein the PEG has a molecular weight of at least 1 kDa, 2 kDa, 3 kDa, 4 kDa, 5 kDa, 6 kDa, 7 kDa, 8 kDa, 9 kDa, or 10 kDa.
제1항에 있어서, 상기 샘플에 상기 프로브와 상기 표적 서열 간의 결합 상호작용을 변화시키는 것으로 의심되는 조건을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, further comprising applying to the sample a condition suspected of altering the binding interaction between the probe and the target sequence.
제10항에 있어서, 조건은 샘플에서 프로브의 제거, 표적 서열에의 결합에 대하여 프로브와 경쟁하는 작용제의 첨가, 및 초기 pH, 염, 또는 온도 조건의 변화로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. The method of claim 10, wherein the condition is selected from the group consisting of removal of the probe in the sample, addition of an agonist that competes with the probe for binding to the target sequence, and a change in initial pH, salt, or temperature condition Way.
제1항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드는 프로브에 대한 폴리뉴클레오티드의 결합을 변형시키도록 구성된 화학적 변형을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the polynucleotide comprises a chemical modification configured to modify the binding of the polynucleotide to the probe.
제12항에 있어서, 상기 화학적 변형은 비오티닐화, 아세틸화, 메틸화, 서몰레이션(summolation), 글리코실화, 인산화 및 산화로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. The method of claim 12, wherein the chemical modification is selected from the group consisting of biotinylation, acetylation, methylation, summation, glycosylation, phosphorylation, and oxidation.
제1항에 있어서, 상기 프로브는 절단 가능한 결합을 통해 프로브에 커플링된 화학적 변형을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the probe comprises a chemical modification coupled to the probe via a cleavable bond.
제1항에 있어서, 상기 프로브는 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 금속 결합, 반 데르 발스 힘, 소수성 상호작용, 또는 평면 스태킹 상호작용을 통해 폴리뉴클레오티드의 표적 서열과 상호작용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the probe interacts with a target sequence of the polynucleotide through a covalent bond, a hydrogen bond, an ionic bond, a metal bond, a van der Waals force, a hydrophobic interaction, or a planar stacking interaction Way.
제1항에 있어서, 상기 샘플을 프로브 또는 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체에 결합시킬 수 있는 하나 이상의 검출 가능한 라벨과 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, further comprising contacting the sample with at least one detectable label capable of binding to the probe or polynucleotide-probe complex.
제1항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드는 적어도 두 개의 표적 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the polynucleotide comprises at least two target sequences.
제1항에 있어서, 상기 나노포어는 직경이 약 1 nm 내지 약 100 nm이고, 길이가 1 nm 내지 약 100 nm이며, 각각의 챔버는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the nanopores are from about 1 nm to about 100 nm in diameter and from about 1 nm to about 100 nm in length, and each chamber comprises an electrode.
제1항에 있어서, 상기 나노포어 디바이스는 모든 나노포어에서 상기 폴리뉴클레오티드의 이동을 동시에 제어하도록 구성된 적어도 두 개의 나노포어를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the nanopore device comprises at least two nanopores configured to simultaneously control the movement of the polynucleotide in all nanopores.
제1항에 있어서, 프로브-결합부가 나노포어를 통해 통과한 후 나노포어를 통한 상기 폴리뉴클레오티드의 이동이 반전되도록, 상기 검출 가능한 신호에 의한 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 초기 검출 이후 상기 독립적으로 제어되는 전압을 반전시키며, 이로써 폴리뉴클레오티드-프로브 복합체의 존재 또는 부재를 다시 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the initial detection of the polynucleotide-probe complex by the detectable signal after the probe-binding portion has passed through the nanopore, Reversing the voltage, thereby again confirming the presence or absence of the polynucleotide-probe complex.
제1항에 있어서, 상기 나노포어 디바이스는 두 개의 나노포어를 포함하고, 상기 폴리뉴클레오티드는 상기 두 개의 나노포어 둘 다에 동시에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the nanopore device comprises two nanopores, wherein the polynucleotides are simultaneously located in both nanopores.
제21항에 있어서, 나노포어를 통해 폴리뉴클레오티드의 전위의 속도를 제어하기 위해 나노포어에 의해 반대 힘이 발생되도록 상기 두 개의 나노포어 각각에서 전압의 크기 및/또는 방향을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. The method of claim 21, further comprising adjusting the magnitude and / or direction of the voltage at each of the two nanopoles such that an opposing force is generated by the nanopore to control the rate of the polynucleotide's potential through the nanopore . &Lt; / RTI &gt;
샘플에서 폴리뉴클레오티드 또는 폴리뉴클레오티드 서열을 검출하는 방법으로서,
a) 상기 샘플을 제1 프로브 및 제2 프로브와 접촉시키는 단계로서, 상기 제1 프로브는 상기 제1 표적 서열에 대한 상기 제1 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 폴리뉴클레오티드의 제1 표적 서열에 특이적으로 결합하고, 상기 제2 프로브는 상기 제2 표적 서열에 대한 상기 제2 프로브의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 폴리뉴클레오티드의 제2 표적 서열에 특이적으로 결합하는 단계;
b) 상기 샘플을 상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브에 대한 상기 제3 분자의 결합을 촉진하는 조건 하에 상기 제1 및 제2 프로브가 서로 충분히 근접해있을 때 상기 제1 및 제2 프로브에 동시에 결합하도록 구성되는 제3 분자와 접촉시키며, 이로써 상기 폴리뉴클레오티드, 상기 제1 프로브, 상기 제2 프로브, 및 상기 제3 분자를 포함하는 융합 복합체를 형성하는 단계;
c) 상기 샘플을 나노포어 디바이스의 제1 챔버에 로딩하는 단계로서, 상기 나노포어 디바이스는 적어도 하나의 나노포어 및 적어도 상기 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버는 상기 적어도 하나의 나노포어를 통해 전기적으로 및 유체적으로 교류하고, 나노포어 디바이스는 상기 적어도 하나의 나노포어 각각을 가로질러 제어되는 전압 전위 및 상기 적어도 하나의 나노포어 각각에 관련된 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 적어도 하나의 나노포어를 통해 통과하는 물체를 확인하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 나노포어를 통한 상기 융합 복합체 전위는 상기 융합 복합체와 관련된 검출 가능한 신호를 제공하는 단계; 및
d) 상기 검출 가능한 신호를 관찰하여 상기 샘플에서 상기 융합 복합체의 존재 또는 부재를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
A method for detecting a polynucleotide or polynucleotide sequence in a sample,
the method comprising: a) contacting the sample with a first probe and a second probe, wherein the first probe is capable of binding to the first target sequence of the polynucleotide under conditions that promote binding of the first probe to the first target sequence The second probe specifically binding to a second target sequence of the polynucleotide under conditions that promote binding of the second probe to the second target sequence;
b) combining said sample with said first and second probes simultaneously if said first and second probes are sufficiently close to each other under conditions that promote binding of said third molecule to said first probe and said second probe; To form a fusion complex comprising the polynucleotide, the first probe, the second probe, and the third molecule;
c) loading the sample into a first chamber of a nanopore device, wherein the nanopore device includes at least one nanopore and at least the first chamber and the second chamber, Wherein the nanopore device further comprises a sensor associated with each of the at least one nanofourous and a voltage potential controlled across each of the at least one nanofoure, wherein the nanopore device is electrically and fluidly interchanged through the at least one nanofoure, Wherein the sensor is configured to identify an object passing through the at least one nanopore, the fusion potential through the at least one nanopore providing a detectable signal associated with the fusion complex; And
d) observing the detectable signal to determine the presence or absence of the fusion complex in the sample.
제23항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드는 DNA 또는 RNA인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein the polynucleotide is DNA or RNA.
제23항에 있어서, 상기 검출 가능한 신호는 전기 신호인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein the detectable signal is an electrical signal.
제23항에 있어서, 상기 검출 가능한 신호는 광신호인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein the detectable signal is an optical signal.
제23항에 있어서, 상기 충분히 근접함은 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 300, 400, 또는 500개 미만의 뉴클레오티드인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein the sufficient proximity is 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, , 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 300, 400, or less than 500 nucleotides.
제23항에 있어서, 상기 제3 분자는 PEG 또는 항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein the third molecule comprises PEG or an antibody.
제23항에 있어서, 상기 제3 분자 및 상기 제1 및 제2 프로브는 ssDNA에 결합되고, 상기 제3 분자에 연결된 상기 ssDNA는 상기 제1 프로브에 연결된 ssDNA의 영역에 상보적인 영역을 포함하며 상기 제2 프로브에 연결된 ssDNA의 영역에 상보적인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein the third molecule and the first and second probes are bound to ssDNA and the ssDNA linked to the third molecule comprises a region complementary to a region of ssDNA linked to the first probe, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; ssDNA &lt; / RTI &gt; linked to the second probe.
제23항에 있어서, 상기 샘플을 제3 분자 또는 융합 복합체에 결합시킬 수 있는 하나 이상의 검출 가능한 라벨과 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23, further comprising contacting the sample with one or more detectable labels capable of binding to a third molecule or fusion complex.
제1 프로브, 제2 프로브, 및 제3 분자를 포함하는 키트로서, 제1 프로브는 표적 폴리뉴클레오티드 상의 제1 표적 서열에 결합하도록 구성되고, 제2 프로브는 상기 표적 폴리뉴클레오티드 상의 제2 표적 서열에 결합하도록 구성되며, 상기 제3 분자는 상기 제1 및 제2 프로브가 상기 제1 및 제2 표적 서열에서 상기 폴리뉴클레오티드에 결합될 때 제1 프로브 및 제2 프로브에 결합하도록 구성되며, 이로써 상기 제1 및 제2 프로브에 대한 상기 제3 분자의 동시 결합을 허용하기에 충분히 근접하게 제1 및 제2 프로브를 위치시키는, 키트.
A kit comprising a first probe, a second probe, and a third molecule, wherein the first probe is configured to bind to a first target sequence on the target polynucleotide, and the second probe is configured to bind to a second target sequence on the target polynucleotide Wherein the third molecule is configured to bind to a first probe and a second probe when the first and second probes are bound to the polynucleotide in the first and second target sequences, Wherein the first and second probes are positioned sufficiently close to allow simultaneous binding of the third molecule to the first and second probes.
제31항에 있어서, 상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브는 단백질, 펩티드, 핵산, TALEN, CRISPR, 펩티드 핵산, 또는 화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 키트.
32. The kit of claim 31, wherein the first probe and the second probe are selected from the group consisting of a protein, a peptide, a nucleic acid, a TALEN, a CRISPR, a peptide nucleic acid, or a compound.
제31항에 있어서, 상기 제3 분자는 PEG 또는 항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 키트.
32. The kit of claim 31, wherein said third molecule comprises PEG or an antibody.
제31항에 있어서, 상기 제3 분자는 상기 프로브에 대한 결합 친화도를 변형시키기 위한 변형을 포함하는 것을 특징으로 하는 키트.
32. The kit of claim 31, wherein the third molecule comprises a modification to alter binding affinity for the probe.
적어도 두 개의 챔버 및 나노포어를 포함하는 나노포어 디바이스로서, 상기 디바이스는 상기 나노포어 내 폴리뉴클레오티드에 결합된 변형된 PNA 프로브를 포함하는 나노포어 디바이스.
A nanopore device comprising at least two chambers and nanopores, the device comprising a modified PNA probe coupled to a polynucleotide in the nanopore.
두 개의 포어를 통해 대전된 폴리머를 검출하는 이중-포어, 이중-증폭기 디바이스로서, 디바이스는 상부 챔버, 중간 챔버 및 하부 챔버를 포함하며, 제1 포어는 상부 챔버 및 중간 챔버를 연결하고, 제2 포어는 중간 챔버 및 하부 챔버를 연결하며, 상기 디바이스는 상기 제1 또는 제2 포어 내 폴리뉴클레오티드에 결합된 변형된 PNA 프로브를 포함하는 디바이스.
A dual-pore, dual-amplifier device for detecting a charged polymer through two pores, the device comprising an upper chamber, an intermediate chamber and a lower chamber, wherein the first pore connects the upper chamber and the intermediate chamber, Wherein the pore connects the intermediate chamber and the lower chamber, and wherein the device comprises a modified PNA probe coupled to the polynucleotide in the first or second pore.
제36항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 제1 포어 및 상기 제2 포어 둘 다를 통해 상기 대전된 폴리머의 이동을 동시에 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
37. The device of claim 36, wherein the device is configured to simultaneously control movement of the charged polymer through both the first pore and the second pore.
제36항에 있어서, 상기 변형된 PNA 프로브는 적어도 하나의 PEG 분자에 결합되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
37. The device of claim 36, wherein the modified PNA probe is bound to at least one PEG molecule.
제36항에 있어서, 디바이스는 상부 챔버 및 중간 챔버 사이에서 제1 전압을 제공하고, 중간 챔버 및 하부 챔버 사이에서 제2 전압을 제공하도록 구성된 전력 공급장치를 더 포함하는데, 각각의 전압은 독립적으로 조정 가능하고, 중간 챔버는 두 개의 전압에 대하여 공통 접지에 연결되며, 디바이스는 각각의 포어에서 독립적인 전압 제어 및 전류 측정을 위해 구성된 이중-증폭기 전자장치를 제공하고, 두 개의 전압은 크기가 다를 수도 있으며, 제1 및 제2 포어는 대전된 폴리머가 양 방향으로 및 제어된 방식으로 둘 모두의 포어를 가로질러 동시에 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스.37. The apparatus of claim 36, wherein the device further comprises a power supply configured to provide a first voltage between the upper chamber and the intermediate chamber and to provide a second voltage between the intermediate chamber and the lower chamber, The intermediate chamber is connected to a common ground for two voltages and the device provides a dual-amplifier electronics configured for independent voltage control and current measurement in each pore, and the two voltages are different in magnitude And wherein the first and second pores are configured such that the charged polymer can move simultaneously across both pores in both directions and in a controlled manner.
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